特异材料(Metamaterials)是一种具有超常性质的人工复合材料,往往能够通过设计的有序结构获得自然界中没有的物理现象。Metamaterials这一单词最早是由德克萨斯州立大学教授Rodger M.Walser在1999年提出的。由于特异材料的这种独特特性,近十年来成为了国际物理界、电磁界、材料界的研究前沿和热点,其研究内容分别于2003年和2006年两次被Science评为年度10大科技突破之一,在通信工程、生物工程、医学成像,生物传感等领域有着极其广泛的应用前景。特异材料一般是由金属构成。众所周知,当电磁波照射在一般金属上时,金属会反射吸收掉大部分电磁波信号,使得电磁波不能在其中进行传输。但是,当电磁波照射在金属特异材料上时,由于其具有独特的亚波长结构,使得电磁波会在金属结构上激发不同的电磁响应。而在这些电磁响应之间,由于近场效应会产生一系列耦合,进而激发一些特殊的光学现象,使得电磁波可以在特异材料中进行传输,产生诸如类电磁诱导透明(Electromagnetically induced transparency,EIT)、圆二色性(Circular dichroism)等新奇现象,这种新奇的物理现象对于研究慢光、滤波、传感等许多有潜力的应用有很大作用。本文首先详细阐述了特异材料的等效媒质理论、发展现状以及前景;其次,介绍了特异材料中一些典型的电磁响应的概念、特点及应用,例如:表面等离激元、Fano共振、亮模式与暗模式等;最后,以这些特异材料中的电磁响应为基础,设计不同结构的特异材料,通过改变特异材料中单元结构的不对称度,引起电磁响应耦合共振模式,对这些耦合所激发的超常特性进行探索,深入研究不对称特异材料(asymmetric metamaterials)中的电磁效应在不同波段所产生的一些特殊光学现象的机理、特点、应用等。这些研究工作基本上都以计算模拟为主,在基于有限元法的模拟计算软件上进行计算。主要内容有以下几点:1.设计一种U型的微波段金属开口谐振环(Split ring resonator,SRR)结构,改变入射电磁波方向,分析电磁波侧入射时在具有对称性的U型SRR特异材料中的电磁响应,调节适当参数,在微波段实现类电磁诱导透明(Electromagnetically induced transparency,EIT)现象,并对产生EIT的机理进行物理解释;2.研究在U型SRR结构的特异材料中,通过引入旋转不对称,打破SRR的中心对称性,从而在电磁波正入射的条件下引入暗模式,激发特异材料微波段的类EIT现象,并实现了通过调节特异材料的不对称度对类EIT的大小进行调控。设计实验,制作微波段结构样品进行了实验验证;3.设计了一种不对称环盘结构的特异材料,这种环盘结构可以激发磁场分布具有环形特点的环偶极子(Toroidal dipole)。基于此,我们研究了由这种特殊的环偶极子作为亮模式,与传统的磁响应暗模式相互耦合,在近红外波段产生类EIT的现象,并对产生的电磁响应进行详细的物理解释;4.探索在能够激发类EIT现象的旋转不对称U型特异材料中,通过调节适当参数,使其在近红外波段产生电磁响应,并通过调整该特异材料的不对称度,分别实现了对线偏振光和圆偏振光正入射情况下的偏振态调控;5.设计了一种新型的具有双重手性的双层特异材料,研究了这种特异材料中的圆二色性现象及其产生机理,并通过对这种特异材料不对称度的调节,增强圆二色性现象,并对此进行了物理解释。