超表面,一种由亚波长共振单元以周期或非周期的方式排列而组成的平面阵列,它可以通过改变共振单元的几何形状来控制入射光的相位、振幅和偏振,实现奇异的电磁特性。超表面作为一种新型的二维结构,近几年来引起学者广泛关注,它在电磁调控领域具有灵活性、集成性,这使得人们对电磁波的高效、多维调控成为可能。设计基于超表面的高效、多功能、高集成特性的偏振器件,一直以来都是研究学者的奋斗目标。因此,本文使用时域有限差分法基于氮化镓超表面重点研究高效、集成的光学器件设计。具体研究内如下:(1)提出了一类基于氮化镓超表面的高效偏振功能器件。为增加结构单元的调制维度和提高超表面的集成度,我们提出了双相位调制法,并基于氮化镓超表面设计了几种高效偏振光学器件。通过同时改变矩形纳米柱的长宽来实现正交线偏振光的同时调制,并在此基础上我们设计了能将X偏振和Y偏振光偏转到±14.7°的偏振分束器和聚焦到空间对称位置的正交线偏振态超透镜以及设计了正交圆偏振态超透镜。在超透镜设计的基础上,我们将X、Y和45°、135°正交线偏振超透镜组合设计了线偏振分析器,通过四种偏振光焦点能量的提取,能定量的分析入射偏振光的线偏振度。(2)提出了基于氮化镓超表面的全偏振矢量分析器。本文首先基于传统偏振分析系统的思路,设计了六像元全偏振矢量分析器。利用双相位设计法,通过超表面某一区域实现正交线偏振同时聚焦,最终将X、Y、45°、135°线偏振和LCP、RCP聚焦在空间对称位置,再提取焦点能量进行入射偏振态的分析。为提高器件效率和集成度,基于斯托克斯参数的理论推导,我们重点研究了四像元全偏振矢量分析器。我们将X、Y、45°线偏振和左旋圆偏振分别聚焦到空间对称位置来恢复斯托克斯参数,再通过接收和分析四种偏振的聚焦能量,立即恢复出斯托克斯参数。