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超材料为一种亚波长人工周期结构由谐振单元组成,通过特定拓扑结构设计可以呈现出独特的电磁性能和光学现象。双曲超材料（Hyperbolic Metamaterials,HMs）是指具备双曲色散关系的一种人工复合的各向异性材料,在太赫兹和近红外频率区域HMs独特的电磁波近场操纵特性使其在亚波长成像、提高光子密度和宽带吸收等方面具有巨大的应用前景。随着纳米加工技术的发展,两种材料也为控制电磁波的传输提供了更多可能性,本文设计了几种介质拓扑结构实现了非互易的电磁波传输,互易的能量操控与共存,多机制的光学传感,非线性的光学开关,可控的磁探测和磁编码。本文的主要内容如下:1.研究了石墨烯基双曲超材料的介电常数和群速度折射率,设计了一款基于堆叠石墨烯基双曲超材料的单元结构。首先,通过利用石墨烯的吸收特性和布儒斯特窗口,在透射区域中实现了可调谐的单频吸收,其次,将具有不同吸收峰的单元结构拼接为一个整体,可以实现超宽带吸收和吸收区内的透射窗口,且优化参数之后可以工作在不同的频段。此外,还研究了饱和和非饱和石墨烯的光学特性,设计了一款基于石墨烯基双曲超材料的可切换饱和-非饱和缺陷模的开关结构,其可以工作在中红外和近红外波段。研究结果表明,在较小的入射角和较大的周期数时,可以观察到更好的饱和缺陷模,而非饱和缺陷模可由石墨烯的化学势控制,且通过采用非线性克尔材料,为该开关结构设计了具有角度记忆且能产生石墨烯双稳态吸收的新型阈值光系统。所设计的两款石墨烯基双曲超材料结构可用于超宽带吸收、基于吸收中透射的逻辑开关、非线性光学开关。2.研究了黑磷（Black Phosphorus,BP）和银复合的双曲超材料的三个正交方向介电常数,设计了具备BP的双曲超材料的准周期结构。研究结果显示,正向传输时可以在不同的入射角度和频率位置观察到横电（Transverse Electric,TE）波和横磁（Transverse Magnetic,TM）波的吸收峰。TM波入射时的整体峰值大于TE波,更适合做角度传感器,在线性变化范围内其灵敏度为1.49 THz·degree-1。对于反向传输,整个结构在入射角为0°-70°和频率为630 THz-740 THz的范围内呈现光子禁带,即全向带隙（Omnidirectional Band Gap,OBG）,因此,得到了电磁波沿两个方向的非互易传输。此外,还研究了BP和五氧化二钽堆叠而成的双曲超材料的吸收特性,并结合石墨烯的表面等离激元（Surface Plasmon Polariton,SPP）吸收设计了一款由条形石墨烯和复合BP光子结构组成的方向相关的双机制折射率传感器。研究结果表明,在折射率测量范围为1.2-1.6和1.6-1.9的情况下,前向入射的灵敏度分别为3.135THz/RIU（Refractive Index Unit）和1.135 THz/RIU。折射率检测区为1.2-1.5和1.6-2.0时,后向入射的灵敏度分别为9.500 THz/RIU和14.650 THz/RIU。前向入射具有更好的线性度,后向入射具有更好的角度稳定性。所设计的两款结构可用于实现非互易吸收器、角度和折射率传感器。3.研究了磁化等离子体材料的电磁特性,设计了由磁化等离子体和普通电介质组成的准周期结构（Quasi-periodic Structure,QPS）。该结构打破了空间对称性实现了OBG,又通过磁化等离子体对两种极化波的影响不同实现了极化分束（Polarization Splitting,PS）。研究结果还发现在大的等离子体频率和小的外加磁场强度下可以观察到更好的OBG,而等离子体频率越小或外加磁场强度越大,PS的性能越好。此外,还研究了基于等离子体的双曲超材料的介电常数和群速度折射率,设计了一款改进的Thue-Morse序列结构。通过利用HMs独特的介电常数的特性实现了角度稳定的可调谐吸收带内的单频反射（Single-frequency Reflection in Absorption,SFRA）。且发现等离子体的填充率越大SFRA频率位置越低,碰撞频率越大SFRA频率位置越高。这两款结构为OBG器件、PS器件和角度稳定的抗色散波导结构的设计提供了思路。4.研究了恒定磁场中铁氧体材料的电磁特性,设计了基于铁氧体单元的复合拓扑结构（Ferrite-based Element,FBE）。通过叠加三种不同磁场分布的铁氧体复合结构,系统地讨论了FBE在梯度磁域中对电磁波能量的操控作用。研究结果表明,正向入射时,可以在0-60°入射角范围内实现超宽带吸收和吸收带内的透射窗口。通过将外加磁场扩展为成对对称分布,也可以实现互易的吸收和透射能量共存。此外,通过利用吸收带内透射窗口设计了一款兼具磁检测和磁编码的逻辑开关,可以实现特定磁强度的检测以及对连续随机磁信息的编码。这些研究结果可用于广角互易能量操控、多功能磁检测和编码。5.研究了超导体材料中的自旋霍尔效应（Spin Hall Effect,SHE）,设计了具有多窗口SHE的周期超导结构。通过利用消逝波的多峰和角度敏感特性,在周期超导结构中实现了纵波和横波在不同角度下的透射缺陷,在此基础上控制透射峰的数目,得到了多窗口的SHE。其中,水平和垂直分量都拥有较大的位移值,且窗口的数量与位移值成反比。此外,通过研究介质折射率对这两种位移的影响设计了一款微小型折射率传感器,最佳灵敏度可以达到253.9°·RIU-1。该研究为设计多窗口SHE和高精度的折射率传感器提供了理论指导。