双曲超材料作为超材料的分支展现出独特的电磁响应特性,双曲线型的色散曲线表现出极强的各向异性,支持大波矢量的传输,对电磁波具有极强的调控能力,拥有一般人造超材料无法比拟的性质。在本论文中,我们深入探索双曲超材料的独特性质,数值仿真与实验工艺相结合,主要研究了双曲超材料的三种物理模型,分别是金属纳米柱结构、自然双曲材料六方氮化硼以及金属与电介质多层交替结构,并将其应用到折射率传感、共振模式调制和电磁波的偏振控制中。主要研究内容如下:(1)我们针对提出的棱镜耦合式金纳米柱双曲超材料传感结构进行了仿真设计,对比了不同结构参数对导模的影响,明确了工艺制备参数。其次,我们详细研究了金纳米柱双曲超材料的制备工艺,制备的金纳米柱双曲超材料达到理论设计要求,排列结构形貌优于传统制备方法。最后,我们搭建了可见光到近红外波段的超材料反射式光谱测试系统。(2)我们主要研究了六方氮化硼单元阵列的光学特性。六方氮化硼材料在中红外波段内包含两种类型的双曲色散响应,我们分别研究了特定波段下不同偏振角度以及入射角度对超材料结构透射光谱的影响,通过改变激发条件可以主动调制共振模式。(3)我们提出了一种基于石墨烯/电介质多层堆叠阵列的偏振控制系统。利用双曲介质的极端各向异性实现高消光比的起偏器与高效的光偏振控制,通过改变几何结构和石墨烯的费米能级能灵活调节工作频率,为中红外设备的集成提供了新途径。