相位梯度超表面可以看作是由亚波长天线单元组成的二维超材料,其厚度要比工作的波长小得多,主要利用局域表面等离子体共振特性来设计天线单元的电磁响应特性,从而在界面处产生相位不连续,它能够对出射波前、光色散特性、偏振甚至频率的完美操控。然而,为了实现对波前的完全控制,需要0到2π范围相移的覆盖。在过去的几年里,很多研究者努力寻找适当的等离子体或介质纳米结构,提供全相位响应的覆盖并同时保持较高的散射效率。近年来,越来越多的人致力于性能可调谐的光学超表面的研究,因为它们可用于制备一些功能动态可调的光器件。本论文主要研究基于石墨烯的可调谐相位梯度超表面以及电磁耦合作用超表面。首先介绍了石墨烯的光学特性及其光学仿真模型,紧接着讨论了偶极子阵列模型;进一步,提出了所研究的金属-介质-石墨烯天线结构单元,并利用FDTD Solutions软件对其电磁响应特性进行研究。理论计算结果表明:改变费米能级可以实现天线的0-2π相位响应的调控;通过改变石墨烯条带天线施加电压的分布实现了光束扫描和将入射平面光束耦合为表面波的多重功能;我们还设计了透镜焦距可从20到100μm切换的可变焦柱透镜。这为动态可调谐超表面器件的设计提供了一种可行的方法。其次,我们提出了基于双层互补结构的电磁耦合作用相位梯度超表面。并借助光学纳米电路模型来分析该结构的垂直、横向耦合效应和共振特性。计算结果表明:在不改变尺寸或方向角的情况下,两个纳米结构之间的位错引起的电磁耦合效应足够实现波前的操控。利用这种结构我们设计了一个工作在低频耦合模式下的反射式梯度超表面以及工作在电共振和磁共振的频谱重叠位置的高透射率惠更斯超表面。所提出电磁耦合作用超表面是一种新型的等离子体超表面,它具有增强光与物质相互作用的特点。