超材料是一种由亚波长结构单元组成的人造功能材料,其性质主要取决于结构单元而与材料本征属性无关。通过人为地设计结构单元,可以获得任意等效电磁参数,产生常规介质无法产生的现象和应用,如电磁隐身、理想吸波等,在国防军工和民用领域方面都具有重要应用价值。在宏观上,大量亚波长结构单元组成的超材料是一种等效介质的观点已被广泛接受。但在微观上,亚波长结构单元(即超原子)与真实原子之间如何关联尚不明确,完善超材料的微观物理图像将会对超材料的设计具有重要指导意义。本论文通过理论分析、数值模拟和实验测试,探索并建立起超材料等效能级的系统规律,并在此基础上,以材料学中的经典概念为指导,设计优化出多层超表面阵列、手性超材料和介质基超表面等多种性能优异的平面型超材料,获得以下主要结论:(1)基于等效能级的观点,将超原子的特征频率等效为真实原子的能级,建立了超原子与真实原子系统的微观物理关联。发现超原子的特征频率具有与真实原子能级相似的能级分裂、能带形成、收敛与交叠的特征规律,从而将超原子及其对光输运的调制作用与真实原子及其对电输运的调制作用等效关联。(2)基于获得的等效能级理论,设计了一种由四层超原子堆垛而成的超表面阵列,可实现透射圆极化波的高效转化。模拟和实验结果均表明该结构在9.8～13.5 GHz宽频范围内,交叉极化波的透射幅值大于0.7,而共极化波的透射幅值小于0.2;在此基础上,利用Pancharatnam-Berry相位重塑波前,设计梯度相位超表面阵列实现了极化分束器,使不同极化的入射电磁波发生出射角可调的异常折射;设计超表面阵列实现了平板透镜功能,将不同旋向的圆极化平面电磁波转化为球面波进行汇聚或发散;设计超表面阵列实现了螺旋相位板功能,将入射的平面电磁波转化为光学漩涡;设计超表面阵列实现了轴棱镜功能,将入射的平面电磁波转化为锥面波,形成贝塞尔光束。所得模拟和实验结果符合较好,均表明这些超材料电磁器件都具有宽频带、高透射等优异特性。(3)基于结构对称破缺概念,首先设计了一种线极化不对称传输特性的双层SRR环手性超材料,在8.0～9.0 GHz范围内线极化不对称传输系数超过0.47。其次,通过改变SRR环的旋转角度构建了线极化波到圆极化波转化的四分之一波片,在10.6～13.2 GHz范围内透射幅值大于0.8且椭圆率近45°(>40°)。最后,基于四分之一波片,设计并制备了一种多功能手性超材料,兼具四分之一波片和极化旋转器功能。模拟和实验结果显示,当线极化电磁波(x或y极化)正向入射时,出射波转化为圆极化电磁波(左旋或右旋,椭圆率绝对值大于38.5°),且显示出X波段的宽频(10.7～13.2 GHz)、高透射率特性(>0.70),即表现为四分之一波片;而当线极化电磁波(x或y极化)反向入射时,出射波为偏振方向顺时针旋转约45°的线极化波,也显示出X波段的宽频(10.7～13.2GHz)、高透射率(>0.88)特性,即表现为极化旋转器。(4)基于周期对称破缺概念,提出不对称光栅结构的一维介质基超表面,通过引入周期性对称破缺显著提高谐振品质因数和增强局域场,促进光与物质的交互作用,设计出具有高灵敏度S= 1157nm/RIU和高品质因数FOM =287的气体传感器。通过进一步控制周期性对称破缺程度,灵活调节切向电场大小,显著增强石墨烯/超表面复合结构中的有效耦合面积,从而大幅提升石墨烯动态调控深度,当石墨烯费米能级从0eV增加到0.8 eV时,TE和TM极化波反射率调制深度达到80%和73%、左手通带调制深度达到85%。