近几年来,超表面技术已经成为光通信领域的热点研究方向之一。超表面是一种结合光电子技术和纳米技术的人工合成材料,可以实现对光的振幅、相位和偏振态的灵活调控,进而产生光束偏转、波前聚焦和偏振转化等器件效果。传统的超表面光学系统多是由金属和介质材料组成的,金属超表面存在高损耗、共振分散以及纳米尺度制造困难等问题限制了它在超表面领域的广泛应用。同样,介质超表面也存在功能单一、可调性差等缺点无法成为我们的研究对象。石墨烯是一种六边形碳原子蜂窝状排布的二维超材料,表现出独特的光电特性,它的高载流子迁移率、金属般的负介电常数以及可调的费米能级等特点吸引了我们的关注。利用石墨烯和超表面组成的石墨烯超表面器件,可以通过栅压调控和化学掺杂等方法进行灵活调控,单层和多层结构也可以通过纳米印刷和光刻法轻松获得。此外,石墨烯的超薄特性也大大降低了光在石墨烯超表面上的传播损失。基于石墨烯超表面研究的具体内容如下:(1)设计了一种多功能可调谐太赫兹石墨烯超表面;利用石墨烯超表面技术设计完成了一种多功能、宽带、高效和可调的新型超表面器件。在石墨烯条带的局部等离子体共振和介电层的法布里-珀罗(Fabry-Perot)共振的共同作用下,可以通过调整石墨烯费米能量来改变单元结构的反射波相位,从而实现超表面系统360°的相位覆盖。基于这360°的相位覆盖,我们首先设计了多太赫兹反射聚焦镜,完成了5THz、6THz、7THz的有效宽带聚焦且焦距为200μm,为了证明聚焦镜的灵活调控效果,还实现了焦斑上下左右各100μm的精准移动。此外,我们还利用了特定的相位梯度法实现了不同角度(±16°)的异常反射。这些结果都表明了我们的器件结构是一个灵活可调、宽带高效且具有多功能效应的优秀超表面光学仿真系统。(2)研究了一种基于石墨烯超表面的偏振转化器。在第一项工作的石墨烯超表面单条带单元结构中,我们意外发现了结构的偏振转化效果,该结构能够有效改变光的极化特性。在这个结构的基础上,我们通过复杂化石墨烯图案的手法设计并模拟了一个超薄、宽带、高效的偏振转换器。为了得到更为优秀的器件仿真效果,我们在2.9μm条带的基础上添加了一个十字相交的1.5μm长的石墨烯条带,以研究新结构的偏振转换能力。新的超表面结构具有超宽频带(4-9THz)偏振转换带宽以及稳定95%以上的偏振转换率。此外,还可以动态调整石墨烯的费米能量来改变结构的偏振转换特性。运用石墨烯超材料所实现的这种动态偏振转换的功能可以很好的利用在众多光学领域中如3D成像、传感、通讯方面等。