近十几年来,超构材料吸引了广泛的研究兴趣。人们通过设计不同结构的超构材料来实现各种超越传统材料的电磁性质,例如负折射、异常透射、电磁隐身等等。超构材料的电磁性质很大程度上取决于其亚波长结构单元的多极共振性质。多极共振是材料电磁响应的一种经典的描述方式。一般的,电磁多极矩主要分为两大类,包括电多极矩和磁多极距两大家族,例如电偶、磁偶、电四、磁四极距等等。在此之外,环多极子的存在近年来引起研究者很大的兴趣。由于环多极子的远场分布与对应的电/磁多极子类似,而且在普通材料中的响应十分微弱,因此在很长一段时间内被忽略。但是,环多极子的近场分布、对称性、Q因子以及和外场的相互作用与电磁多极子截然不同。最近,有研究人员设计了一种由具有强烈的磁共振的金属开口环组成的超构材料,在实验上观察到了完全不同于电偶极子和磁偶极子的环偶极子共振。环偶极子的特殊性质引发了广泛的研究兴趣。本文在前人研究的基础上,进一步利用电偶极子在超构材料中实现了强烈的环偶极子共振,并研究其与其他多极子的相互作用。文章的主要结构如下:在第一章中,介绍超构材料和环多极矩的研究历史与现状。在第二章中,简要的介绍相关理论背景与模拟计算工具。在第三章中,提出一种实现环偶极子共振的离散电偶极子模型。以该模型为基础,在由三个金属纳米颗粒构成的系统中实现了环偶极子共振。而后讨论了有更多的金属纳米颗粒的团簇系统中的环偶极子共振。与三个金属纳米颗粒系统相比,团簇系统中的环偶极子共振没有角度依赖性。最后,在微波波段利用半波天线代替金属纳米颗粒,在实验上验证了上述离散电偶极子模型中的环偶极子共振。在第四章中,我们讨论了超构材料中环偶极子与其他多极子相互作用产生的效应,包括单向散射、Fano共振、anapole。我们在离散的电偶极子构成的系统中发现了单向散射,通过分析各多极子辐射发现环偶极子共振与其他的多极子相干对于散射的单向性扮演了很重要的角色。在同轴圆柱超构材料中我们利用环偶极子与电偶极子的相互作用实现了Fano共振。最后,在离散电偶极子的模型中实现了由环偶极子和电偶极子相互作用产生的anapole。这些效应可能在光学传感、非线性光学中存在潜在的应用。在第五章中,我们利用开口环将磁偶极子共振引入到人工表面等离激元的系统中,发现以开口环为结构单元的金属条同样能够支持表面波。这种结构中的人工表面等离激元模式的色散能够通过开口宽度有效的调制。作为例子,我们设计了一种能够支持虹彩效应的渐变的开口环链金属条。该研究可能在微波和太赫兹波段下的慢光和分频具备潜在的应用。最后一章,全文总结和展望。