偏振是光的一种固有属性，当光与物质发生相互作用后，偏振的变化可以反映物质的材料组成、表面形貌等信息，在目标识别、遥感、量子通信等领域具有重要的研究价值和应用前景。近年来，偏振相关的研究引起了国内外的广泛关注，其中如何获取光的偏振信息是该领域的核心问题。偏振探测是一种获取目标场景偏振特性的技术。传统的探测技术需要结合偏振片、波片、透镜等多种复杂的光学器件才能对光波的偏振和波前进行调控，导致探测系统复杂、笨重、难以集成。超构表面的出现为解决这些问题提供了新的契机。
超构表面是一种二维人工电磁材料，可以在亚波长尺度内实现对电磁波的偏振、相位、振幅和频率等参数的自由调控，具有平面化、轻量化、易于集成的特点，也是偏振探测技术在小型化和集成化趋势下的理想平台。经过多年不断的探索，基于超构表面的偏振探测技术已经实现了全偏振的探测和成像，但仍然存在视场小、带宽窄以及难以探测复杂波前等问题。针对这些问题，本文开展了基于超构表面的高性能偏振探测研究，提出了一系列偏振探测器件，主要内容包括：
1. 提出大视场的偏振探测器，解决了基于超构表面的偏振探测技术存在的视场受限问题。推导出适用于大视场的Stokes参数，在此基础上基于二次相位实现了2´3阵列的大视场全偏振探测器，该器件可在80º视场内实现对入射角和偏振态的准确测量。为进一步提高空间利用率，本文对Stokes参数做了进一步推导，将计算所需的偏振参量由6个降为4个，因此可将探测阵列由2´3压缩为2´2阵列，空间利用率得到了有效的提升。该设计同样可在80º视场内实现对入射角和偏振态的精确探测。设计的大视场器件在气溶胶特性监测、波前探测、遥感等领域具有潜在的应用价值。
2. 提出了低串扰宽带消色差全Stokes成像偏振探测器，解决了偏振探测中存在的工作带宽窄和偏振串扰的问题。基于色散调控理论以及偏振相关的独立相位调控方法实现了低串扰的消色差成像偏振探测器设计。相比之前的单偏振调控方法，本文提出的方法将带宽内任意偏振入射光的平均串扰减少了66.66%以上。低串扰和消色差的特性使设计的器件无需标定就可以直接实现精确的偏振检测和偏振成像，显著提高了器件的实用性。在波前探测、遥感、光场成像、机器视觉等领域具有广泛的应用前景。
3. 提出了偏振涡旋光束检测器，解决了偏振探测中存在的难以探测复杂波前的问题。首先利用几何光学原理分析了涡旋光携带的拓扑荷与聚焦光斑的位置和偏移量的关系。随后，基于光学动量变换原理和重构Stokes参数方法，通过实验测量的光斑位置和强度信息实现了偏振涡旋光束的轨道角动量和偏振解耦。提出的器件具有设计紧凑、集成度高等优点，在光束检测、保密通信等领域中具有重要的应用价值。