表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是在导体表面区域传播的自由电荷振荡和电磁场相互作用而形成的共振现象,自由电荷振荡和电磁场之间的相互作用使得表面等离子体激元具有很多独特的性质,尤其是具备在亚波长尺度内调节电磁场分布的重要特性,并形成许多新兴应用。目前相关研究已经形成成熟的“等离子学(plasmonics)”。然而,大部分对表面等离子体激元的传统研究都局限于金属材料,且部分因为金属材料频率特性的限制,大多集中于可见光和红外光波段。近年来,J.B.Pendry等首先提出的人工等离子材料,可以在微波频段支持类似表面等离子体激元的电磁波传播,被称为“伪表面等离子体激元(Spoof SPPs)”,为开发各种各样的表面波结构和器件提供了重要的技术手段,尤其是在人工电磁结构设计中起到了重要作用。同时,非金属等离子材料的研究也得到了越来越多的重视。本文着重研究非金属材料在表面等离子体激元和人工电磁结构方面的应用,包含深紫外、微波、太赫兹等波段。论文主要研究工作及成果概括如下:1.深紫外波段基于砷化镓材料的表面等离子体激元激发,并应用于波束增强。从能够激发表面等离子体激元现象的物理模型出发进行理论推导,预测在紫外波段,砷化镓能够激发表面等离子体激元。通过计算机仿真研究证明,砷化镓在一定条件下,可以激发表面等离子体激元,并且在该波段砷化镓具有比银等金属更好的表面等离子体激元效应。同时,设计出的周期圆环凹槽结构(牛眼结构),能够实现在紫外波段的波束增强,在中心处得到19倍的光强增强,将特定波长入射光的透射光发散角度的半高宽度(FWHM)从48°集中到6°。此工作为设计紫外波段表面等离子体结构提供了新的材料和手段。2.微波波段基于氧化铟锡玻璃材料的人工电磁结构,并应用于透明超宽带吸波结构。相对于目前的主流微波器件使用的常规印刷电路板(PCB)板材的局限性,提出基于氧化铟锡(ITO)玻璃来设计微波器件,设计了一种基于ITO玻璃的可见光透明的微波波段超宽带吸波结构,该结构在可见光频段透过率高于80%,具有在视觉上高度透明的特点;同时,此结构吸收效率大于80%的频带宽度高达23.4GHz(从15.6GHz到39 GHz,电磁波垂直于结构表面入射)。实验结果验证了仿真结果和理论分析。该结构的厚度仅为1.1 mm,只有中心频率32.5 GHz所对应波长(9.23 mm)的0.11倍,并有望进一步减薄。仿真研究进一步表明,此结构对入射波的极化方式不敏感。这种新型的吸波结构设计实现了可见光和微波两个频带上的超宽带低反射,为将来的微波系统设计提供了新的思路,对于微波隐身系统等应用具有重要的意义。3.微波波段基于柔性基底氧化铟锡材料的人工电磁结构,并应用于柔性透明超宽带吸波结构。传统的超材料吸波结构有光学不透明以及硬度较大不能够随意折叠的缺陷,而近几年随着透明电磁屏蔽材料和柔性电子器件的快速发展,柔性透明吸波结构的需求变得日益迫切。本文提出了一种新型的柔性透明吸波器件,使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate,PET)薄膜作为基底材料,使用ITO作为导电材料制备基于人工电磁结构的微波吸波结构,即便在弯曲的状态下,也能够保持较好的吸波性能。利用其设计的吸波结构既保持了光学透明以及柔性的特点,又达到了宽带微波吸收,其平面状态下吸收率大于80%的带宽为19.9 GHz-51.8 GHz。对平面状态下的性能进行了数值仿真和实测对比,证明了该吸波结构的性能符合理论分析。将该样品共形于不同直径的圆柱体表面,测得该结构在弯曲状态下的吸收性能较为优异。并对弯曲状态下的吸收性能进行了理论推导和实际测试,实测结果符合理论推导。该柔性透明超宽带吸波结构可应用于电子设备的电磁防护等。4.太赫兹波段基于氧化铟锡薄膜的表面等离子体激元激发,并应用于反射成像中的精确定位及比例尺。太赫兹时域光谱仪成像因为其光谱带宽宽、非接触性测量且对成像目标不造成损伤等优点而成为近年来的一个热点,然而在当前研究中因为受到衍射极限的限制造成其成像定位分辨率较低,成为较明显的一个局限。本文研究了氧化铟锡等材料在太赫兹波段的表面等离子体激元效应,提出了一种反射式太赫兹成像中的定位结构,并可基于此制备反射式太赫兹成像中的超精密比例尺。