超材料（Metamaterials）是一种由人工超原子构成的材料，其特性由精确设计的超原子的几何结构决定，而与超原子本身的材料成分无关。通过人为设计不同的超原子结构，超材料能够实现很多天然材料无法实现的奇异功能，例如，负折射现象、反常切伦科夫辐射、反常多普勒效应、超分辨成像、隐身以及超强的电磁波极化旋转能力等。超材料的出现极大地拓展了人们对材料科学的认知，由于其在电磁学、光电子、信息存储、传感探测、能源、公共安全等领域的广阔应用前景，超材料迅速成为科学研究的一个前沿与热点。在过去的十多年中，科学家们对超材料的研究取得了巨大进展，涌现出了各种不同特性的超材料，并且两度被国际顶级期刊《Science》评为年度十大科技进展之一。目前，超材料已经逐渐成为一门涵盖电磁学、凝聚态物理、材料科学、声学、生命科学、微波与天线工程、经典光学、纳米科学等众多学科交叉的新兴学科。本论文根据电磁超材料的基本原理，提出了多种光学超材料和手性超材料模型，并通过数值模拟与实验测试相结合的方式研究了不同超材料的电磁特性。本论文的工作主要包括以下几个方面的内容：1.基于高次谐振模式，设计了一种―U‖型结构超材料。通过数值模拟证实了该超材料能够在可见光频段产生多频带负折射率，并且具有非常小的损耗。利用表面电流、等效LC电路结合电子动能模型详细地分析了该超材料产生多频带负折射率的机理。研究了银层和介质层厚度对―U‖型结构超材料电磁特性的影响。进一步的研究表明，该―U‖型结构超材料在太赫兹波段仍然能够实现多频带负折射率，展示出宽泛的频率适应性。2.提出了一种基于无序银树枝结构单元的光学超材料模型。利用―自下而上‖的电化学沉积法，制备了一种由双层无序银树枝结构单元组成的可见光波段光学超材料。研究了不同实验条件对银树枝结构单元的形貌和几何参数的影响，并得到了沉积银树枝结构的最佳实验条件。测试了样品在可见光波段的光学特性，实验结果表明，该光学超材料在可见光波段能够实现多频带透射，并且在透射峰处可以实现平板聚焦。3.设计了一种共轭的变形希腊十字结构手性超材料。通过数值模拟和实验测试研究了该手性超材料在电磁波垂直和倾斜入射时的电磁特性。结果表明，该手性超材料的极化旋转能力达到了3400°/λ，并且具有很强的圆二色性。由于该手性超材料具有非常强的手性，所以很容易实现负折射率。另外，该手性超材料在很宽的入射角范围内（0～45°）均可以实现90°极化旋转。4.将传统的谐振器与纯手性谐振器相结合，设计了一种由短杆对和共轭的希腊十字谐振器构成的复合手性超材料，并通过仿真与实验研究了其电磁行为。结果表明，由于短杆对和共轭的希腊十字之间的强耦合作用，导致该复合手性超材料的极化旋转能力要比单纯的共轭希腊十字手性结构提高很多，并且可以作为一种对电磁波入射角度不敏感的90°极化旋转器。对于线极化入射波，在保持几何结构参数不变的情况下，即使改变介质基板的介电常数，该复合手性超材料仍然可以完美地实现90极化旋转。5.基于上述复合手性超材料，设计了一种超薄的频率可调的90极化旋转装置。该装置由一片复合手性超材料和两片辅助介质基板构成，通过机械地调节辅助介质基板与复合手性超材料之间的距离，其工作频率能够被灵活地调节，并且可以实现约1.02GHz的工作带宽，相对带宽达到了17%。进一步的实验研究表明，该机械调节过程是完全可逆和可重复的。6.提出了一种阴刻的共轭风车状手性超材料模型。仿真研究表明，该手性超材料具有很强的极化旋转能力，在9.06GHz可以实现近乎完美的交叉极化透射转换；样品的圆二色性很小，透射波在整个模拟频段内都是线极化的，且在8.43～9.26GHz范围内均可实现对线极化入射波的交叉极化转换。7.设计了一种由双层开口方向相互垂直的谐振环构成的手性超材料。仿真结果表明，该手性超材料具有高效的交叉极化转换效率和显著的非对称透射效应，其绝对工作带宽达到了2.9GHz（12.8～15.7GHz），相对工作带宽达到了20.4%。通过对样品表面电流分布的分析发现，样品的强交叉耦合效应是由磁谐振引起的。