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超材料作为一种人工合成的结构材料，具有很多自然界材料所不具备的奇特的性质。在过去的十几年中，超材料的应用涉及多个领域，例如增强天线性能、电磁隐身、频率选择、光束聚焦等。极化是电磁波的一个重要特征，传统的极化调控装置可以利用波片来实现，例如，结晶固体和液晶等，这些材料具有很强的双折射特性和较大的相位延迟。在微波频带中，通常采用铁氧体和多层光栅来实现电磁波的极化调控，但是这些材料存在厚度较厚和工作频带较窄等缺点，不能集成到微型光学系统中。随着超材料研究的日益深入，电磁波的极化调控可以通过各向异性或手性超材料实现，为调控电磁波极化状态提供了一种全新的技术途径。 本文以超材料对电磁波极化特性的调控为研究内容，开展了微波段和可见光波段的反射型和透射型极化调控超材料的模型设计，优化仿真以及实验验证等一系列工作，设计出了宽带、高效的线极化波和圆极化波的极化调控超材料结构，详细分析讨论了产生极化调控的物理机理。本文的主要研究内容如下: (1)提出了一种的“一”字型结构反射极化调控超材料。首先，所设计的超材料结构可以实现高效宽频带的线极化波的反射调控。数值仿真结果显示所设计的超材料能够在8.16-15.32GHz内将入射的水平极化或垂直极化波反射后分别转换成其正交极化波，极化转换率效率和相对带宽分别超过了95％和60％。另外，所设计的“一”字型结构超材料还能实现圆极化电磁波的极化调控，能够将入射的圆极化电磁波以相同的旋向反射。仿真和实验结果表明所设计的超材料在8.16-15.32 GHz的极化转换率超过90％，偏振消光比大于15dB。这种“一”字型结构极化调控超材料在电磁隐身、天线、传感器等领域具有广泛的应用。由于设计的极化转换器结构简单，易于集成在小型系统中，同时在太赫兹和可见光频段都有着广泛的应用。 (2)设计了组合双频带极化调控超材料，可以同时实现对线极化波和圆极化波的极化调控。一方面，所设计的超材料结构能够在4.40-5.30 GHz和9.45-13.60 GHz两个宽频带内将线性极化波转换成其正交极化波;另一方面，这种结构还可以在4.47-5.35 GHz和9.57-13.57 GHz两个频带范围内使反射圆极化波不改变其旋向。实验结果表明，在两种情况下的平均极化转换效率均大于86％。通过表面电流分布分析得到双宽带的正交极化耦合是由内、外矩形之间的强磁偶极子的相互作用而产生的。所设计的这种超薄极化调控超材料结构，为今后设计其他双波段超材料器件提供了一个重要的手段，这种设计还可以扩展到更高的频率。 (3)提出了基于经典开缝环的反射型和透射型极化调控超材料模型，通过仿真优化实现了对不同频点的反射波和透射波的同时调控;其次;还对超材料结构在大角度斜入射情况下的极化特性进行了分析讨论。仿真结果表明，在某些特定频率下，x和y极化入射波在垂直入射时的反射波和透射波的极化转换率超过90％，此外，设计的超材料结构对x和y极化波在大角度入射时具有良好的耐受性。通过微波实验对仿真数据进行了验证，实验结果与仿真结果一致。所提出的这种超材料结构在设计极化波控制和选择性传输中具有重要的应用价值，同时，良好的大角度入射的耐受性在实际应用领域具有很大的潜力。 (4)设计了一个三层双各向异性超材料结构来实现超宽带线极化波的正交极化调控，同时还实现了电磁波的非对称传输。仿真和实验结果表明，所设计的超材料结构能够在5.8-11.8GHz的频率范围内将线极化波转换为其正交极化波，并且极化转换率接近90％，对应的半功率带宽大于68％。此外，这种结构还可以实现线性极化波的正向和反向传播的非对称传输。与之前的设计相比，所设计的这种三层超材料结构具有结构简单，工作频带宽等优良特性。最后，利用表面电流分布分析了极化转换的物理机制，并对几何参数对极化转换性能的影响进行了详细讨论。 (5)设计了高效宽带的可见光波段的偏振调控超材料来实现对线偏振光和圆偏振光的偏振状态的调控。所设计的超材料结构能够在400-800nm范围内实现圆极化波的极化转换，而且转换率在达到了90％，实验结果和仿真结果基本吻合，对实验结果和仿真结果之间所出现的误差做了详细地分析和讨论。另外，利用相位梯度超表面实现了圆极化波的奇异反射，奇异反射的反射角与广义Snell定律计算的结果相吻合。 本文通过几何建模，优化设计和实验验证，研究了反射型和透射型极化调控超材料的极化调控特性，并对产生极化转换的物理机理进行了详细的分析，为设计宽带、高效和多种极化模式的极化调控超材料具有重要的指导意义。所设计的极化转换超材料可以在雷达技术、天线技术中起到调控电磁波的极化状态的作用，还可以实现利用电磁波极化状态的传感，探测与显示等功能。