偏振分束器是一种十分重要的偏振光学器件,能够将任意偏振入射光分成两束正交偏振光。鉴于同时具有偏振器和分束器的功能,偏振分束器广泛应用于光学测量、光纤通讯和药物科学等领域。随着微纳米科学理论方法的完善和制备技术的进步,光学系统逐渐朝着微型化和集成化趋势发展。特别是在空间体积受限的情况,光学器件和光学系统的微型化具有十分重要的意义。然而,由于材料和制备工艺的限制,传统偏振分束器的体积较大,不适合于光学系统的微型集成。超表面,一种由亚波长尺寸散射体通过亚波长间隔排列组成的新型人造二维结构,能够在亚波长厚度内对光的振幅、相位和偏振进行控制。其中,一种基于介电材料中极化声子振动的超表面——全介电超表面,由于能够对光进行高效控制,实现多个功能的单片集成,且制备工艺与现有半导体工艺相兼容,在实现单个光学器件的微型化和光学系统的微型集成方面具有极大的潜力和优势。鉴于此,本学位论文开展了全介电超表面偏振分束器设计方法、表征方法及其在角度测量中的应用等探索性研究,主要研究工作及创新点包括:推导了全介电超表面单元透射系数与全介电超表面偏振分束器性能的关系,提出了全介电超表面偏振分束器优化设计方法,设计出高性能的全介电超表面线偏振分束器和圆偏振分束器,并对其性能进行仿真分析。分析了全介电超表面单元的透射特性、局部效应近似以及结构尺寸误差对超表面性能的影响。揭示了局部效应近似有效的根本原因是超表面顶层结构中散射体对入射光的引导和强烈禁锢。提出了一类高透射率全相位控制的超表面单元,且单元的结构尺寸误差对所组成超表面性能的影响较小。本文所提出超表面单元的特性降低了制备要求,提高了全介电超表面的可制造性。推导了器件偏振特性参数与器件穆勒矩阵元素之间的关系,建立了偏振特性表征的理论方法。分析了全介电超表面偏振分束器的测量需求,并根据该需求,研制出透射式成像穆勒矩阵椭偏仪,为器件的偏振特性表征提供了实验技术。制备出全介电超表面圆偏振分束器。利用偏振特性表征方法和透射式成像穆勒矩阵椭偏仪,测量并分析了所制备全介电超表面圆偏振分束器的偏振特性。开展了全介电超表面偏振分束器在角度测量领域中的应用实验研究。提出一种基于偏振光学的滚转角测量方法,设计了一种基于全介电超表面偏振分束器的滚转角传感器,分析了该传感器的理论性能。研制出该滚转角传感器的原理样机,并结合所研制的透射式成像穆勒矩阵椭偏仪,提出该滚转角传感器系统参数的校准方法。在此基础上,评估了该滚转角传感器原理样机的性能。本学位论文在全介电超表面偏振分束器设计、表征及其应用方面的研究,为全介电超表面偏振分束器的实际应用提供一定的理论基础,为深入认识和理解偏振分束器提供理论方法和实验技术;为滚转角传感器的微型化提供新方法和新途径,丰富了现有的滚转角测量技术。