为了描述电磁波与物质的相互作用,人们引入了两个重要的参量-介电常数(ε)和磁导率(μ)。原则上来说,只要能人为的改变ε和μ,就可以根据需要来调控电磁波的传播特性,然而自然界中已有材料的ε和μ变化范围和自由度都不大。为了能够随意改变ε和μ,人们提出了人工电磁媒质(Metamaterials)的概念。所谓人工电磁材料,就是将许多尺寸远小于电磁波波长的人工结构单元周期性或非周期性的组合在一起,构成一种在相应波长尺度上连续的人工超材料。这些人工微结构单元所起的作用就像是“人工原子”,人工电磁材料的宏观电磁性质就由这些“人工原子”所决定的。人工电磁材料概念的提出最早起源于负折射材料的提出,负折射材料具有很多奇异的性质,如:反多普勒效应、负切连科夫辐射,等等。接着人们拓展了人工电磁材料的概念,实现了更多常规材料所无法实现的功能,如:利用人工电磁材料对反射位相的调制,人们实现了亚波长的共振腔以及对电磁波极化的调控;通过设计合适的共振单元,实现了对电磁波的隐身,等等。关于人工电磁材料的结构单元以及奇异性质的研究正引起人们的广泛关注。负折射材料作为人工电磁材料最重要的一个特例,它不仅可以收集传播波的信息,还可以收集瞬态波的信息,利用它可以成亚波长的像,但是当介质板的介电常数和磁导率都严格等于-1时,人们无法得到稳定的像,要想使得像稳定下来,人们必须加入吸收,但是加入吸收就降低成像的质量,这样我们就面临两难的境地。在第二章中,我们加入源的开关时间,如果源的开关时间与介质板的本征响应速度吻合的话,就既可以较快的得到稳定的像,同时又不降低成像的质量。接着,我们分析了不同极化和维度的源的情况下,像的振荡行为,这些振荡是由于源的谱函数和介质板自身的表面波模式之间的耦合所引起的。最后,我们分析了不同厚度和材料参数的介质板的像振荡行为,这使得我们可以更好的调控像的振荡。表面等离子激元是局域在金属与介质表面的本征态,由于它的亚波长效应和场增强效应,因此引起人们的广泛关注。然而自然材料的表面等离子频率由自身的自由电子浓度来决定,这使得人们很难在一个较宽的频带内利用它。如何能随意的调控等离子的工作频率来满足人们的要求呢?在第三章中,我们在金属板上挖分形结构的槽,发现分形结构可以提供一种等效的表面等离子共振行为,通过改变分形结构的级次、槽宽以及结构单元的大小,人们可以随意调控等离子共振频率。同时,由于,分形结构具有全方向的亚波长效应,支持横电和横磁模式的表面等离子激元。利用分形结构板我们可以成亚波长的像,并发现了成像过程中的场增强效应,像的分辨率由共振单元的周期来决定。我们的想法通过微波实验以及有限时域差分的模拟得到了充分的证明。开口金属圆环作为第一个提出用来实现负磁导率的结构单元,由于其特殊的地位,人们对它进行了大量的研究。同时由于近年来,对于磁表面等离子激元的研究正成为热门课题,需要各种各样的磁响应结构单元,因此对开口金属圆环的研究就显得更加重要了。在第四章中,我们采取了一些合理的近似,拓展了之前的模展开理论,并把它运用到横截面是矩形的开口金属圆环里,通过有限时域差分的模拟证明了我们理论的正确性。接着,我们把拓展的模展开理论应用到双层开口金属圆环(BC-SRR)上,发现在不同的条件下,BC-SRR具有三维的磁响应。同时,我们发现,由于环与环之间的相互作用,导致了BC-SRR阵列中第二对本征模式的共振频率发生了反转。最后,我们设计了一个平面的层状结构来实现同一频率下的三维磁响应。