电磁波电场和磁场分量的正交振荡效应使其具备偏振特性。这种特性在许多领域中能够得到有效应用，如生物化学领域中的DNA传感技术、摄影技术和全息成像技术、以及光通信和创伤的诊断治疗技术等方面。在纳米光子学领域，研究者们设计并研究了一系列可以实现偏振相关的光操控的超薄超材料和超表面结构。如平面透镜、波片、以及分光器等纳米结构也可集成到各种光学系统和设备当中。传统的处理光波偏振态的方法是采用体块波片来改变光的偏振态，这种体块波片大多由多层波片组成，并且利用自然材料中的双折射效应实现其功能。目前，超材料以及超表面结构的研究正在朝着工作波长可调与开关状态可切换的方向进行。本文的研究内容即为设计可见光和近红外波段的、具备可调谐双折射特征的、高带宽和高效率的四分之一波片超表面。　　天然水晶，如云母和方解石等，因其各向异性的双折射率特性，可作为线性双折射的传输介质。然而，这类晶体具有带宽较窄和体积较大的固有缺陷，因而限制了它们在光学系统中的应用和集成。而传统的超材料和超表面也存在尚未完全解决的难题，如双折射的可调谐范围较小与工作带宽较窄等。因此本文设计了一种超薄的超表面结构，这种结构具有对特定偏振态入射光的截获、局域和散射作用。通过改变超表面单元结构的几何参数与材料性质，实现了对这种超表面结构双折射的调节。另外，通过改变外部栅极电压，还可以控制结构单元材料的介电特性，并应用这种方法在介质超表面上实现动态开关的功能。总的来说，即通过集成不同的材料来设计超表面结构，以获得能够调控光的振幅、相位和偏振的特性。超表面偏振转换器的研究中，最重要的挑战围绕在实现同时控制光相位、振幅与偏振特性。为了应对上述挑战，之前的许多研究利用精密的结构设计来产生多重共振，每一个共振均可以独立地对一定范围内的相位进行调制。在本文中，除了调整结构的几何参数外，还利用包含石墨烯-硅混合的全介质超表面和包含石墨烯-金属的等离激元超表面分别实现了对上述光学特性的调制。　　之前的许多研究已经表明相对于全介质材料超表面，传统的等离激元超表面具有更优越的光学响应特性。然而金属固有的欧姆损耗较高，这导致等离激元超表面的透光效率相对于全介质超表面低，尤其是在可见光频率范围内。本文提出的全介质-石墨烯混合超表面结构具有显著的光学偏振转换特性，且几乎避免了欧姆损耗。由于Mie共振和Kerker条件，作为惠更斯源的超表面介质单元具有较高的散射光效率。应用论文中所提出的全介质石墨烯超表面，可以实现高达95%的偏振转换率，这表明超表面的双折射特性得到了显著地增强。而且，含石墨烯的混合超表面结构可在中心波长周围30%内实现四分之一波片的光学特性，而无石墨烯的全介质超表面结构的带宽仅为8%。将光束缚在亚波长尺度可大幅提高对光的操控效果。由于可以通过控制超表面的几何结构参数从而调节等离激元的双折射特性，这使得超表面结构展现出传统各向异性晶体所不具备的性质。因此，将金属与石墨烯层进行集成不仅可以增强结构的光局域能力，也可以促进表面等离激元的传播。通过控制表面波的面内特性，可实现对其远场光学特性的操纵。本文设计出的金属-石墨烯四分之一波片可以有效截获入射光并将其转换为局域表面等离激元和传播表面等离激元。随着传播的发生和进行，通过改变超表面结构的晶格常数和石墨烯的费米能级，就可以实现对面内的相位和振幅进行有效地控制。　　此外，本文中还设计了一种混合表面等离激元超表面结构，这种结构是通过将介质材料单元嵌入银膜中来实现的。在这种设计中，介质材料充当增益介质，可以有效减少金属中的辐射和欧姆损耗带来的影响。该结构可被等效为集总电路，其中金属部分可视作纳米电感，而嵌入的电介质可以视作纳米电容。当入射光照射结构时，在可见光范围内表面位移电流占主导地位，传导电流也受控于表面位移电流。因此，这种结构可在较宽的波长范围内实现四分之一波片功能以及具有高度的双折射可调谐性。同时，还应用了表面等离激元和传输线理论对该结构进行了分析。