我们知道，固体由原子构成，原子的种类和空间排列等决定着固体的性质。1999年，Pendry等人提出利用“人工原子”来构造具有特殊介电常数和磁导率的超构材料(Metamaterials)，从而对电磁场进行调控。在最近的十年里，人工电磁材料中出现了许多新奇的电磁性质，例如人工磁性、负折射现象、光学隐身等。这些性质是传统光学材料所不具备的，对这些有趣性质的深入研究不仅能加深人们对人工微结构中电磁波传播规律的认识，而且有助于我们实现对电磁波的调控、研制全光型材料和器件，最终有可能导致光子取代电子而成为新一代信息载体。　　 负折射率材料是超构材料研究的重要内容之一。所谓负折射率材料，即折射率为负数的材料，通常是指介电常数和磁导率都小于零的电磁材料。负折射率材料中出现了一些反常的物理现象，例如逆多普勒效应和反常切伦科夫辐射等；利用负折射率材料还可以实现放大倏逝波的完美透镜等。目前关于负折射率材料的研究已经从最初的微波波段扩展至太赫兹频段、红外光区乃至可见光波段。特别地，光频段的负折射率材料，在数据存储、高分辨显微技术和纳米印刷技术等方面有着潜在的广泛应用，而实现光频段的负折射率材料的重要途径之一是利用人工的金属和介电微纳结构来产生电磁响应。　　 本论文从实验和理论两方面研究金属和介电微腔中电磁共振和亚波长成像规律，具体内容如下：　　 第一，我们从实验和理论两方面研究了亚波长金属/介电多层微腔阵列中的电共振和磁共振现象。首先我们设计了几种亚波长金属/介电多层微腔阵列，然后基于有限元时域差分方法，从理论上计算出这些亚波长多层微腔阵列的透射谱和反射谱，得到了随频率变化的有效介电常数和磁导率，证实该系统在可见光和近红外波段存在强烈的电共振和磁共振，共振波长附近可以分别得到负介电常数和负磁导率。进一步地，研究发现在微腔总厚度不变的情况下，随着微腔层数的增加，系统中的磁共振向长波长移动。实验上，我们利用磁控溅射和聚焦离子束刻蚀技术制备出一系列亚波长金属/介电多层微腔阵列样品，并利用分光光度计对其进行光谱测量，实验结果与理论计算吻合得很好。　　 第二，我们从实验和理论两方面研究了亚波长金属/介电多层微腔阵列中电磁共振的物理来源，给出了电共振和磁共振的几何调控。研究表明，电共振来源于金属表面的局域表面等离激元的同相耦合，而磁共振来源于局域表面等离激元的反相耦合；磁共振波长取决于微腔中介电层的厚度，此外，不同层内磁场的耦合也会影响磁共振。进一步地，我们发现可以利用微腔的几何设计来调控电共振和磁共振。例如在长方形的微腔系统中，磁共振波长由沿着入射电场方向的微腔宽度决定，而电共振则随着微腔的长宽比变化发生明显移动；同时，负的有效介电常数和磁导率也发生相应的变化。　　 第三，我们在亚波长金属/介电多层长方微腔阵列中，利用偏振光实现了电共振和磁共振的同频率转换。我们首先精心设计出尺寸恰当的微腔阵列，当入射光的偏振方向相互垂直时，该系统在同一频率点分别出现电共振和磁共振。接着我们在实验上观测到该长方微腔阵列样品中出现电共振和磁共振的同频率转换，给出了实现光频负折射率材料的一种可能的思路。　　 第四，我们还利用坐标变换的思想设计出一种非均匀各向异性结构，并用金属/介电多层微结构构造出该结构，解析分析和数值计算都证实其具有亚波长放大成像的功能。我们首先考虑在均匀的各向异性薄膜中，若平行和垂直方向介电常数符号相反，横磁模式光束将沿着特定的角度从一个表面传播到另一个表面，从而将任意图像等大映射；然后通过坐标变换，将薄膜沿平行方向进行非均匀的压缩或拉伸，使两个表面对应图像的大小发生变化，从而实现放大或缩小成像。　　 总之，我们的研究工作从理论和实验两方面研究了亚波长金属和介电多层微腔阵列中电磁响应和亚波长成像规律，证实了该系统中存在电共振和磁共振现象，并揭示了该系统中所发生的电共振和磁共振来源于局域表面等离激元的耦合，给出了电共振和磁共振的几何调控手段，还探讨了利用金属和介电多层结构实现亚波长放大成像等。这些研究结果为发展新型电磁材料和器件提供科学依据，为最终调控电磁波开拓思路。