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振幅、相位和极化方式是电磁波的三个基本参量,传统材料可以实现对这三个参量的控制,但通常比较笨重。最近关于超表面(一种二维的超材料)的研究进展使得我们能够以前所未有的方式操控电磁波。超表面材料通过在二维平面上适当的布置亚波长单元结构来实现对电磁波的振幅、相位和极化方式的调控,可以实现任意的电磁波前。超表面器件甚至可以实现传统天然光学材料无法实现的奇异电磁性能。同时,这些超表面器件具有极高的紧凑性。人造超表面材料引起了广泛的关注。本文针对目前超表面器件的两个关键问题进行了研究:一、超表面器件的色差问题。由于其对电磁波操控方式很特殊,使得多个波长或者一定带宽的电磁波之间的参量调节具有一定的相关性,然而超表面单元结构的周期是固定的。因此,在解决某些聚焦、成像等问题上,不可避免的会出现色差问题。目前我们可以通过多种亚波长单元结构组合成一个超表面器件的方式来在一定程度上实现消色差的功能。本文的第三章提出了一种以双开口圆环为单元结构的超表面材料。这种单元结构内外环之间的角度差的变化可以打破一定带宽内各个波长之间的相关性。通过调节空间指向角与内外环之间的角度差,可以获得大量的结构数据。利用粒子群优化算法来设计单元结构的排布方式,即可实现消色差的效果。二、超表面对电磁波强大的操控能力应该被赋予更加复杂与多样的功能。本文的第四章提出了一种多功能超表面材料,能够在两个不同的频率下有效的操纵这三个参量。所设计的平面亚波长器件不仅可以对线极化电磁波实现类似二极管的非对称传输,而且还可以实现双频段低串扰的全息成像。所做的实验表明当线极化波以一个极化方向入射,超表面中包含的信息(全息图)可以在透射场被读出,而在另一个垂直的极化模式的入射波则会完全被阻挡,这一实验结果有力的支持了理论设计。所设计超表面的平均透过系数和消光比分别大于84%和58:1,与同类材料相比有了很大的进步。我们认为这种超表面结构是实现电磁波完全控制的有力工具,在通信和加密领域有许多潜在的应用前景。