电磁超材料能够对电磁波的振幅、相位以及偏振态进行调控,进而实现波束偏振、电磁吸收、非线性光学和超光谱成像等。事实上,电磁吸收在诸如太阳能电池、生物传感、电磁隐身和热发射等许多应用中扮演着重要角色。因此具有亚波长尺度、可完全吸收电磁波的超表面吸波材料得到了广泛的研究和设计,几乎涵盖了所有技术波长范围。其中,图案化金属-介质-金属结构(MIM结构)通过激发电磁共振,能够显著增强材料的吸收率。并且,改变图案化MIM结构的几何尺寸和介质层材料,可以灵活调控共振吸收频率。此类结构设计自由度较高,被广泛应用于电磁吸收器的设计。然而,传统的电磁吸收器一旦结构固定,其吸收率便固定了,难以主动控制,这极大地妨碍了它们在光开关和调制器中的运用。近年来,相干完美吸收的出现为实现吸收率的可调性提供了一种新方法。相干完美吸收指的是由两个反向传播相干波的干涉而在有损耗材料中的完全电磁吸收,这也被解释为激光的时间反转过程。然而,作为时间反演激光器,大部分相干完美吸收器只适用于单频,其吸收带宽很窄,在宽频应用诸如太阳能光伏上受到了限制。因此,研究多波段的相干完美吸收具有重要意义。本论文基于图案化MIM结构中金属尺寸和介质层材料对吸收频率的影响,研究多尺寸金属圆片-介质层-金属圆片超表面结构、多尺寸MIM圆片-介质层-MIM圆片超表面结构以及石墨烯椭圆贴片-介质层-椭圆贴片超表面结构的相干吸收性能,具体研究工作包括:1.金属圆片-介质层-金属圆片(Metal wafer-Insulator-Metal wafer,简称M(w)-I-M(w))超表面结构中圆片半径对相干吸收峰值频率的影响。自行设计出一种多尺寸M(w)-I-M(w)结构模型,用数值模拟的方法研究其在反对称相干光源入射(两束相干入射光的相位差为180°)下的吸收性能。研究发现:对于单一M(w)-I-M(w)结构,当圆片半径增大时,吸收峰值频率红移;反之将蓝移。由四个不同半径金属圆片组合的多尺寸M(w)-I-M(w)结构,可以实现四峰值吸收。同时,调节两束入射光的相位差,106.5 THz和112.8 THz处的吸收率分别在99.56%-2.58%和99.90%-3.03%间变化,调制深度为38.49和32.89。研究斜入射下的吸收性能,调整结构参数,在45°入射角下对TE波的吸收进行优化,以使其能够有效应用到光束分光器中。本论文所得结果从理论上为单频相干吸收到多频相干吸收的扩展从而实现宽频相干完美吸收提供了一定的依据。2.M(w)-I-M(w)超表面结构中介质层材料对相干吸收峰值频率的影响。自行设计出一种多尺寸MIM(w)-I-MIM(w)(MIM wafer-Insulator-MIM wafer)结构模型,用数值模拟的方法研究其在反对称相干光源入射(两束相干入射光的相位差为180°)和对称相干光源入射(两束相干入射光的相位差为0°)下的吸收性能。研究发现:对于M(w)-I-M(w)结构,当介质层介电常数增大时,吸收峰值频率将红移,反之将蓝移。MIM(w)-I-MIM(w)结构可以实现双频相干完美吸收。在MIM(w)-I-MIM(w)结构中,探究相位差的变化对吸收率的调节能力,研究表明:在对称入射时,只有上下介质层中的磁共振可以被激发,此时吸收峰个数相比于反对称入射时将减少一半。改变激发磁共振的上下介质层材料,吸收峰值频率可以在低频与高频之间灵活选择。结合圆片尺寸与介质层材料对吸收峰值频率的影响,在设计的多层多尺寸MIM结构超表面中,吸收带宽相比于单频吸收扩展了近九倍。本论文所得结果从理论上可实现宽带相干完美吸收从而大幅拓展光计算的带宽容量。此外为频率选择性相干完美吸收器的设计提供了一定的理论依据。3.石墨烯椭圆贴片-介质层-椭圆贴片(Metal elliptical patch-Insulator-Metal elliptical patch,简称M(e)-I-M(e))超表面结构对TE和TM偏振波的吸收性能以及石墨烯的电可调特性在相干吸收中的应用。利用自行设计的石墨烯M(e)-I-M(e)超表面结构,采用数值模拟方法研究椭圆形贴片长短轴长度及石墨烯费米能级对相干吸收的影响。研究表明:在TE和TM不同偏振波入射时,由于尺寸的影响,椭圆形M(e)-I-M(e)结构吸收电磁波的频率不同。保持椭圆贴片长轴不变,改变短轴的尺寸,TM偏振下的吸收无明显变化,TE偏振下吸收峰会发生移动;反之TM偏振下吸收峰会发生移动而TE偏振下的吸收无明显变化。将多个椭圆贴片以对称的方式排列,吸收将与偏振无关。同时对石墨烯的研究表明:调节其费米能级,可以使吸收峰值频率在一定范围内移动。结合相位调制对吸收率的调节能力,该种设计可以实现对吸收频率和吸收率的双重调节。本论文所得结果为频率可调以及偏振有关相干完美吸收器的设计提供了一定的理论依据。