近年来，左手材料由于其奇特的电磁性质在电磁学、材料科学、固体物理学和光学领域获得了广泛的关注和研究。它的出现打破了许多常规的物理思想，成为当前国际电磁学领域的前沿课题之一。与自然材料相比，左手材料具有一系列“违反”常规思想的电磁特性，如负折射率、后向波特性、逆多普勒效应、逆古斯-汉欣位移和逆切伦科夫辐射现象等。左手材料在谐振器件、吸波器、滤波器、功率耦合器件、电磁诱导、隐身、完美透镜以及天线等微波、光子器件领域的应用前景十分看好。本论文从超材料的两种最基本的单元结构——金属杆和开口谐振环出发，提出了一种三维各向同性的超材料结构，分别设计了微波段和光频尺寸的超材料结构，讨论了它们的电磁响应性质。并且以降低损耗为原则，又把它改变成内部绝缘态、外层金属态的拓扑超材料结构，并讨论了它在光频的电磁响应特性。后面采用自下而上的模板辅助的电化学沉积法制备了一种上下金属层非完全对称的类似双渔网结构，同时采用仿真和实验分析了它在光频的物理特性。最后仿真设计了一种具有宽频负折射率的双渔网结构。论文的研究工作主要涉及以下几个方面：1.基于超材料最基本的开口谐振环结构，通过变形设计了一种“U”形环结构，然后把几个“U”形环组合成一种二维各向同性的球刺状超材料结构，再进一步变换成三维各向同性的超材料结构。根据有效媒质理论的参数计算，仿真分析发现它们在微波段的电磁谐振能够实现负折射率。考察其谐振电流的分布和谐振特性，提出“畴”结构超材料的概念。2.在光频采用金属的Drude模型，通过缩小和调节几何结构参数，把三维球刺超材料结构的响应频率由微波段提升到光频段。根据其谐振电流的特性，把它视为一种簇结构超材料，其基本组成原子为金属杆和“U”形环。考虑到在超材料制备中由于制备误差会导致结构尺寸出现偏差，因此又研究了当周期性球刺结构阵列中出现部分球刺的尺寸缩小时所带来的影响。最后把大的簇结构球刺缩小到亚波长尺寸，通过调节几何结构参数分别研究了其在红光和蓝光的响应特性。3.为了降低超材料中由块体均质金属引起的较大的损耗，我们参考拓扑绝缘体结构，把均质金属的球刺状超材料结构改变成内部绝缘态、表层金属态的拓扑超材料结构。分别仿真讨论了内部绝缘质电容率的大小和外层金属厚度对超材料谐振特性的影响，为拓扑超材料结构的设计找出理论依据和设计准则。同时也考察了当周期性球刺结构阵列中出现部分球刺大小发生变化时所带来的影响。4.建立了Ag-PVA-Ag非完全对称的超材料结构模型，首先仿真证实了当其满足一定范围内的非对称度时可以实现光频负折射率。以此作为依据和指导，我们采用模板自组装电化学沉积法制备了两种不同尺寸大小的超材料样品，分别在红光和绿光波段响应。同时为了考察活性介质RhB对超材料结构所带来的影响，每一组样品都包含了在PVA介质中掺杂和不掺杂RhB的两种样品作为对照。5.我们对未掺杂RhB的绿光响应的样品，通过测量其透射、反射的大小和相位曲线，利用有效媒质的反演参数法计算了有效电磁参数，得到它在绿光波段的负折射率，证实了Ag-PVA-Ag非完全对称结构的负折射率响应特性和制备方法的可靠性。6.对制备的两组超材料样品都进行了两个对照实验：可见光400-800nm波长范围内的透射测试和单色光对平板样品的透射实验。比较这两种实验中掺杂与不掺杂RhB的两种样品的实验结果，发现掺杂RhB的样品表现出更明显的透射行为，最后对结果进行了分析，并对RhB在超材料结构中所起的作用给出了两种可能的解释。7.在双渔网结构的基础上，把均匀大小的网孔改变成16种大小的网孔，仿真实现了红、橙、黄、绿四个色光波段的宽带负折射率。然后又在这种新的双渔网结构基础上，设计了一种“银网-PVA-银网-PVA-银膜”的多频超材料吸收器。