人工微结构阵列又被称为人工电磁介质或者超材料,通常是以结构单元周期性地排列成阵列的形式,是一种亚波长尺度的人造周期性材料。人工微结构阵列具有自然界中一般材料所不具备的电磁特性,如负介电系数、负磁导率、负折射率等,因此人工电磁介质中可产生负折射、逆多普勒效应和逆切伦科夫辐射等奇特现象。人工微结构阵列中的微结构单元可等效为自然材料中原子或分子,通过改变其单元结构及排列周期可灵活地调控人工微结构阵列的电磁特性。近年来,已经提出分别具有三维和二维人工微结构的超材料和超表面来实现小型化和集成的波场操纵装置。此外,通过精心设计几何参数和人工微结构的排列,它们可以表现出超越天然材料的新特性,并实现新的应用。本文以人工微结构材料为基础,在光波以及声波等经典波领域设计了多种不同的物理器件,实现了光波的定向散射调控、超构表面磁镜、多波段全向通风声屏障以及宽带隔声的声学元笼,这些对于设计新型的光/声场调控器件具有重要物理的意义。文章具体研究内容如下:一、提出了一种表面粗糙磁镜的概念,该界面由人工表面等离激元结构阵列设计而成。这种人工表面等离激元结构通过周期性地将螺旋金属条插入到介电圆盘构造中以支持强磁偶极共振模式。特别地,对于不同外半径下的螺旋结构,可以通过调节每个结构的螺旋度以支持相同共振频率的磁偶极模式。为此,设计了由多种不同尺寸的人工表面等离激元结构排列构成的粗糙磁镜,计算了其效率并与光滑磁镜做了比较。本文所提出的粗糙磁镜可以用来增强光与复杂结构的物质之间的相互作用,亦可能应用于微波和太赫兹波段的生物传感和成像。二、设计了人工等离子体结构能够通过在人工等离子体结构的空心中插入一个完美电导体（PEC）圆柱体来实现亚波长尺度的定向散射方向的切换。基于模态分析发现,核壳结构的电磁响应不仅被很好地激发,而且由于电偶极共振和磁偶极共振之间的干涉而表现出定向散射。我们还讨论了 PEC圆柱半径对定向散射性能的影响。最后,通过两种状态的切换实现主动可调定向散射。这项工作为电磁波的亚波长操纵提供了一条可行的途径。此外,它提供了一种简单的方法来切换定向散射方向。所提出的设计方法可以很容易地应用于数字电磁波通信和相关应用。三、提出了一种由径向梯度凹槽组成的亚波长闭合表面,用于实现局部声彩虹捕获。与基于平面结构表面的传统彩虹捕获类似,我们证明了彩虹捕获效应也可以通过深亚波长尺度的封闭表面来实现。特别是,封闭表面上的被困空间位置可以通过改变结构参数来自由调整。基于该结构的多波段响应和亚波长维度的优势,我们提出了一种由封闭表面阵列组成的声屏障,以同时实现多波段隔音和高通风。研究结果表明,这种声屏障具有亚波长尺度、多波段、全向响应来阻挡入射声波的特点,而且通风性好。最后,我们讨论了通道宽度对传输损耗谱幅度和带宽的影响。实验结果与我们的理论预测一致,即材料损失可以拓宽响应带宽,形成宽带隔声。由局部彩虹捕获结构组成的声屏障可能在需要透气和隔音的基础设施中具有许多应用。四、设计了一个由亚波长尺度径向梯度凹槽组成的封闭表面。然后,我们从理论上和实验上研究了一种由圆形封闭表面组成的声学元笼,能够同时实现多频带隔音和高通风。作为一个实用的例子,我们使用三维打印机制造了一个由十个局部结构组成的圆形元笼,并通过实验证明,无论声源是否从元笼内部或外部被激发,该元笼都能够在宽带范围内以高通风有效地阻挡声音。最后,我们讨论了在任意几何形状的情况下所提出的元笼性能的影响。提出的声学元笼可以为具有高通风和相关应用的宽带隔音开辟一条途径。