自然界物体的红外热辐射大多是非相干光(宽光谱,无偏振,辐射率不随角度变化),改变其温度是调控热辐射功率的唯一手段。近几十年来,随着纳米科技的发展,超表面通过波长或亚波长尺寸的结构与光相互作用产生了许多新奇的电磁场行为,为调控物体的红外热辐射提供了更多自由度。调控物体的红外热辐射在温度管理、能源利用、热信息处理等领域有着重要应用,但目前的调控技术在许多应用领域仍存在局限性。比如,面对多波段探测技术的整合,还未发展出经济有效的多波段隐身技术;圆偏振光的直接热辐射在量子计算和传感等领域有重大应用,但目前这方面的研究较少。除此之外,目前的技术还不能实现宽光谱的热辐射空间角调控。因此,本文以红外热隐身、红外热加密、能源等领域为应用背景,通过理论分析、数值仿真和实验测试等手段探究超表面对热辐射光谱、圆偏振态和空间角的调控行为。在超表面调控热辐射光谱方面,本文展示了对红外热辐射光谱的静态和动态调控。在静态光谱调控研究中,本文通过三层膜或简单光栅实现了多波段兼容的光谱选择性辐射,解决了红外热隐身与辐射制冷、激光雷达隐身、可见光迷彩隐身技术之间的光谱冲突,从而实现热管理协同的多波段(可见、红外、激光雷达)同步隐身。样品在室内外均表现出优秀的隐身功能且温度比传统红外隐身材料约低15℃。在动态光谱调控研究中,本文利用金属-电介质-金属结构的热辐射光谱响应和Ge2Sb2Te5受热相变前后的光学参数变化,在同一超表面展示了随温度变化的多幅图像,实现了温度复用的红外图像展示,丰富了热红外图像加密方法。在超表面调控热辐射圆偏振态方面,区别于现有研究中的手性结构,本文利用具备反对称性的非手性结构激发手性电磁场分布从而实现圆偏振光的直接热辐射。针对3-5 μm波段和8-14 μm波段,本文分别设计了可耐高温的纳米器件和便于制备进行实验演示的微米器件。辐射光可测得明显的圆偏振态(椭圆率绝对值|χ|～0.45),且辐射波长和圆偏振态可随温度切换。若将该器件作为反射式的线偏振-圆偏振转换器使用,也可得到明显的左旋或右旋圆偏振光(|χ|≈0.8)。在超表面调控热辐射空间角方面,本文通过镜面不对称的超表面首次实现了宽光谱(8-14μm)的单侧空间定向热辐射。为了增强红外热辐射的空间相干性,本文以表面等离激元为中介协同光波与超表面内磁谐振之间的耦合效率。结构在辐射角[0,90°]范围内的热辐射光强达到其在辐射角[90,180°]范围内热辐射光强的两倍以上,两者辐射温度测量值相差7.1℃。本论文通过对超表面调控热辐射的系统研究,展示了超表面调控热辐射在解决技术难题方面的潜能,为推动超表面应用于日常生活和促进科技发展做出贡献。