信息技术对人类的生活产生了深刻的影响,而信息的载体主要是电子和光子。从人类发明第一台计算机,到今天日常使用的笔记本电脑和手机,电子集成技术取得了巨大的成功。相比电子集成技术而言,光子集成技术却要相对落后很多。现在光学领域的科学家所要面对的基本问题是：未来人们能否成功实现光子集成技术,并将其应用于光子计算呢?为了实现光子集成芯片,科学家提出了各种不同的结构体系,其中光学超构材料是目前国际上研究的热门领域。近年来,随着负折射率效应、超透镜成像、和隐身斗篷等一系列理论和实验工作的发表,光学超构材料吸引了世界上来自光子学、电磁学、信息科学以及微纳加工等各个领域的科学家和研究组的广泛关注,人们正在使用超构材料不断得到各种新奇现象和应用。在电磁超构材料的研究初期,人们普遍对劈裂环等复杂的结构单元更加感兴趣,但随着研究的深入,人们发现最简单的金属孔所组成的超构材料同样具备良好的性质,更重要的是,随着电磁超构材料的研究逐步进入红外波段乃至可见光波段,其对微加工技术的要求越来越苛刻。因此,基于加工简单的金属纳米孔的光学超构材料成为了我们的重要研究对象。本文便通过理论和实验两个方面,对可见-红外波段的基于金属纳米孔的超构材料的性质进行了研究。论文主要分为以下几个部分：1、研究一维金属孔超构链中的磁等离激元模式。我们在等效LC回路模型的理论基础上,通过数值模拟和实验测量,研究了这种结构中的磁等离激元模式。通过优化结构设计,同时实现了超构链的磁共振和电共振激发。我们通过改变激发光的入射角度,对这一结构的色散性质进行了分析,并通过拉格朗日方程对模型做了相应计算,计算结果与实验数据吻合的很好。另外,我们进一步引入了化学中聚合物的概念,找到了人工结构、耦合作用与聚合物的一些关联,并基于此设计了另一种一维哑铃型链。这一结构的侧面人工原子使其可以被TM波所激发,进一步增强了样品对平面波的耦合能力。2、研究二维金属孔超构表面对于相位的调控作用。我们设计了一种基于二维各向异性超构表面的法布里-帕罗腔。通过对超构表面的设计,使它对于不同偏振的入射光有着不同的激发模式以及不同的相位调制作用；通过FP腔共振峰对于相位变化的灵敏反应,在实验测量和理论计算上,证明超构表面对光波相位的调控效果；我们进一步通过FP共振所导致的光热效应,利用高功率激光对超构FP腔共振模式进行调制,从而对透射光的偏振状态实现自调控。对超构FP腔模型的分析表明,可以通过改变超构表面层的等效表面电导率和等效表面磁导率,来设计具有更加灵活调控特性的超构FP腔结构。3、我们设计了一种三维多层金属孔超构晶体,通过数值模拟和实验方法并对其磁等离激元耦合模式进行了研究。为了研究超构材料中与量子体系的相互作用,用这种超构晶体进行了双光子Hong-Ou-Mandel量子干涉实验,以证明用单光子激发超构晶体中磁等离激元波的量子特性。实验中,在加入及不加入样品两种情况下,我们都观察到了HOM谷的存在,从而证明了在光子转化为磁等离激元波的过程中,其量子性质得到了很好地保留。最后,借鉴了量子光学的处理方法,将耦合超构材料的哈密尔顿量进行了二次量子化,从而引入了超构材料中产生的人工准粒子Meton的概念,对问题进行了较深入的解释。