超常材料是一种人工亚波长结构,因其拥有常规材料不具备的奇特的电磁特性成为研究热点。变换光学理论的提出为实现超常材料从相位、路径等方面灵活地操控电磁波提供了一个通用的方法和设计工具。利用超常材料可以设计出具有特殊电磁功能的新型光器件,如光束平移器、电磁场会聚器和偏振旋转器等。基于有限嵌入坐标变换已提出的光分束器和偏折器,其功能的实现均依赖于不规整的器件外形,不易于集成。本文以变换光学为理论基础,提出了一种反变换方法作为设计工具,设计出平板变换介质即超常材料来操控电磁波相位,实现波前的任意变换、偏振分束。并将二维的相位变换扩展到三维坐标下,利用所设计的介质圆柱产生截面场分布可控的空心光束。具体开展的工作如下:1.研究利用阻抗匹配平板变换介质操控相位变换实现偏折器和分束器。基于等光程原理,我们提出了反变换方法来获得外形平整的器件。根据空间变换,建立坐标映射关系,得到阻抗匹配非磁性偏折器的材料参数。在设计过程中,采用非线性的坐标变换来实现阻抗的匹配,保持色散关系不变获得非磁性的变换介质。在偏折器实现的基础上,对两正交的偏振态选择偏转不同的角度计算得到两组参数,将其结合到一块各向异性介质板实现偏振分束。所设计的介质板能有效的操控输出光束的相位和偏转方向,而不依赖于器件的外形。最后对所设计的器件进行了全波仿真验证。本文提出的这种方法也适用于设计在光频段具备全电介质、无损和宽带特点的器件。2.研究基于三维相位变换,设计阻抗匹配的介质圆柱有效地将入射波前转换成任意波前,从而产生空心光束的方法。利用反变换法,建立3D相位变换关系,得到平面波前变换成偏折波前的材料参数。利用此电磁材料操控出射光束的相位,产生发散和会聚的截面场分布呈单环的空心光束。该阻抗匹配变换介质理论上是无反射的,有利于获得非常高的转换效率。在单环空心光束实现的基础上,将实现波前不同偏转的两组材料参数结合在同一介质圆柱,得到了截面能流呈现双环分布的空心光束,并用时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)方法进行仿真分析。