超材料作为一种具有超常物理特性的新型人工复合结构材料,近年来吸引了研究人员的广泛关注。毫无疑问,超材料以其独特的电磁特性如负折射、旋光性以及非对称传输特性,已经成为一个非常热门的研究领域。2011年Capasso提出了一种单层的、超薄的超材料称之为“metasurfaces”,通常是由许多亚波长的各向异性的谐振子周期性排列组成的。梯度相位超表面通过引入相位突变来实现对反射和透射电磁波波前的灵活调控。Capasso利用界面横向的梯度设计,验证了广义斯涅尔定律,利用梯度相位超表面陆续实现了双极性透镜、波束控制、异常折射/反射等。本论文主要针对梯度相位超表面进行了理论与实验研究,利用梯度相位超表面实现了交叉偏振传输和背景自由的波束方向控制,对实现超薄、宽频段的新型光电子器件具有重大意义。具体内容:(1)主要研究了梯度相位新型人工电磁材料的电磁响应原理、广义的反射定律和折射定律、相位梯度的调控。总结了异常折射的条件,探讨了电磁波的偏振态及传输方向的调控方法。(2)利用V结构设计了一种单层超表面,能够在微波段实现电磁波的异常折反射。x偏振波正入射时,由于横向相位梯度的存在,反射和折射的y偏振波会出现一个异常反/折射角。(3)利用I结构设计了一种双层超表面,在微波段实现了对正交偏振波的调控。通过对结构几何参数的设计,使其对x偏振和y偏振入射波产生大小相同、方向相反的相位梯度。因此,x和y偏振波正入射到超表面时,透射波会向两个相反的方向偏转但是偏转角相同。(4)利用非对称开口分裂环孔结构设计了一种双层梯度相位超表面,理论和实验研究结果表明它能够有效抑制共偏振传输和实现偏振转换并且完成对交叉偏振波的波束方向调控。一束y偏振的平面波正入射到超材料上,透射波在6GHz-8GHz范围内只存在x偏振波没有y偏振波,实现了交叉偏振转换。入射线偏振波经过超材料以后透射强度为0.71且透射波存在24°的偏转角。针对结构参数和材料参数进行了大量的仿真和实验验证,实验结果表明:在x偏振波正入射情况下,交叉偏振波的透射强度达到0.68,偏转角度为25°。实验结果与仿真结果吻合的非常好。