近来,由于超材料概念的发展,人们逐渐认识到,通过设计平面亚波长内嵌结构,可以对电磁波进行更深入的控制,因为它们可以密集排列并允许以更高效的分辨率来控制周围表面外场。通常,这样的微结构既具有电极化又具有磁极化,并且它们可以完全控制反射波和透射波,这为新型微波和光学设备的产生提供了巨大的机会。几年前,所有此类平面超材料结构通常被称为超表面。超表面是超材料的二维类似物,定义为光学薄而密集的二维结构单元阵列,这些结构单元具有奇异的特性,这些特性由它们的本构单元赋予,通常具有电磁谐振效应。超表面的单元尺寸和周期性是亚波长的,因此,与产生多个衍射波瓣的衍射光栅相反,它具有像均匀偏振片一样的均匀平面,能够反射和透射平面波。根据功能划分,目前已知的超表面分为以下几类:频率选择表面,高阻抗表面,理想吸收体,极化转化器,辐射表面,波前控制表面,二维平面透镜以及非线性超表面。本文以具有电磁偏振转化功能的超表面为研究内容,尤其对透射型的线极化转圆极化波的超表面进行了深入研究。从微波段至太赫兹波段,开展了对反射型和透射型超表面的理论基础、建模分析、参数设计以及实验验证等一系列工作,提出了四类线极化转圆极化波的超表面结构,并逐一分析了产生线圆转化效应的原因。本文的主要研究内容如下:(1)提出了一种超宽带反射型线圆极化转化超表面。首先,在经典的反射型谐振偶极子转换单元的基础上,采用了菱形状平行等间距短截线结构极子,使得转换带宽大幅提升。数值仿真得出该转换器可以将2.37-4.61THz波段内的入射线极化波转化,得到的反射波为带内平坦且轴比为3dB以内的圆极化波,其相对带宽高达64%,同时期的相关文献少有超出这一相对带宽和性能的超表面结构。另外,该转换器在入射角偏离40°时仍然能保持85%的转化效率,具有高强度的大角度入射的耐受性。这种转换器结构简单易于实现,在太赫兹成像、电磁隐身、小型化通信和传感设备中有着广泛的作用。(2)设计了全手性双频带透射型线圆极化转换器。一方面,该超表面能够在8.6-10.9 GHz和18.1-22.5 GHz两个频带内,将入射的一正交线极化波转化为轴比低于3dB的圆极化波,并且手性结构使得两个透射的圆极化波旋向相异。另一方面,该转换器牺牲了入射的线极化波对应的交叉线极化波,获取了理论上100%的透射率,仿真与实验结果均表明,在两个带内传输效率的峰值均达到了90%且偏振消光比达到18dB以上。传统的、带有对称转化极子的透射型线圆转换器转化效率最高也不过50%,这一新观点为设计其他高效率双频带线圆极化转化超表面提供了一个重要手段。(3)提出了基于法布里-罗特(Fabry-perot)腔的类手性透射型三频带线圆极化转换器。一方面,与双频手性线圆极化转换器类似,将具有选择识别功能的手性结构引入到极化调控中,使得轴比低于3dB的三个频带内,圆极化波的旋向两两相异,且带内传输效率峰值均达到90%以上。另一方面,对传统的用于线极化交叉转换的法布里-罗特腔进行改进,使之同样适用于线圆极化转换,并且从物理机制上分析了对称破缺或类似手性对称的超表面能够实现高效率线圆极化转换的成因。(4)提出了一系列自互补结构的线圆极化分束器的理论模型。首先通过严格的自互补模型和巴比涅(Babinet)原理推断出:当入射波为线极化波时,将会在某些频率内出现反射和透射波均为圆极化波,且入射和反射的能量各占一半的情形。最重要的是,理论上该类转换器具有无限薄的厚度,且圆极化频带数量是完全可控的,与模型的分形次数有关,这一功能是其他相关文献无法实现的。在实际设计中,模型最高可以分形4次,得到八频带线圆极化转换器。这为今后设计多频带甚至超多频带转换器提供了新的理论基础。本文研究了如何使用超表面实现高传输效率与高转换性能兼具的线圆极化转换问题。在具有传统转换极子的基础之上,引入手征结构建模,利用手征材料所具备的超强光学活性、圆二色性以及不对称传输等独特的电磁/光学特性来实现高效率偏振控制。并且在多频带,反射透射兼具的线圆极化分束器也提出了相应的解决策略。相关研究成果,在设计具有偏振调控,电磁隐身等优异性能的通信设备和光学器件中具有广泛的应用价值。