电磁超材料由于其对电磁波卓越的调控能力受到研究人员们的广泛关注,人们通过各种各样的方法实现了不同功能的超材料。近年来,由金属波导构成的新型波导超材料逐渐成为研究的热点。研究人员通过金属平板波导(或金属矩形波导)在TEm模式下的结构色散,仅需在波导内填充介电常数为正的电介质即可实现具有负介电常数的有效介质,从而在金属波导内实现了等效的表面等离极化激元、等离子隐身等有趣的应用。然而,之前研究的金属波导超材料通常都是各向同性的,利用金属波导来实现各向异性的波导超材料(例如双曲型波导超材料、各向异性零折射率波导超材料)还没有得到深入的研究。本论文将对基于金属波导实现双曲型超材料和各向异性零折射率超材料以及零折射率超材料在完美吸收领域的应用展开讨论。具体内容如下:一、基于金属波导的结构色散实现双曲型波导超材料双曲型超材料因其色散关系呈现出双曲函数的形式而得名,其在电磁波操控领域有着重要的应用。我们利用金属平板波导在TEm模式下的结构色散,并在波导内部周期性交替填充两种不同的电介质A和B,并辅以细金属线连接上下金属板,从而可以将整个波导系统等效成二维各向异性的有效介质,进而实现双曲型波导超材料。我们通过模拟验证了波导超材料晶胞的等频率曲线为双曲函数的形式以及双曲型超材料的两个典型现象——负折射和锥形辐射现象。此外,我们还通过微波实验验证了负折射现象进一步证明了我们设计的可行性。二、基于金属波导的结构色散实现各向异性零折射率波导超材料我们首先在金属平板波导(或金属矩形波导)内周期性交替填充两种不同的电介质A和B,并辅以细金属线连接上下金属板,利用金属平板波导(或金属矩形波导)在TEm模式下的结构色散,我们可以在邻近较高的截止频率范围内将整个波导系统等效成二维各向异性零折射率有效介质。我们研究了波导超材料晶胞的等频率曲线,在截止频率附近,其色散关系曲线呈现出很扁的椭圆函数和双曲函数的形式,这两种形式均为各向异性零折射率超材料的典型色散关系。我们还通过模拟研究了高指向性辐射现象进一步验证我们设计的可行性,并且利用此种构造方法在金属矩形波导内实现了透射近乎完美的弯折波导以及电磁波能量在亚波长尺度下的聚焦。三、基于介电常数近零介质的光子掺杂理论实现相干完美吸收我们通过两束或多束电磁波之间的相互作用使得对电磁波能量的吸收率达到100%,从而实现相干完美吸收。光子掺杂理论指出,在介电常数近零介质内掺杂电介质杂质后,整体可以等效成一个均匀有效介质。我们通过理论分析发现掺杂特定的无损耗电介质可将有效相对磁导率调控为近零,再通过特定的有损耗电介质将有效相对磁导率进一步调控为纯虚数,继而实现相干完美吸收。我们还研究了利用此种方法实现完美吸收的可调性,例如可以通过多个不同入射通道或者掺杂多个不同电介质杂质同样都能够实现相干完美吸收。因此,我们提出了一种独特有效的方法实现对电磁波能量的完美吸收。