近些年来,超材料凭借其特有的物理性质而备受关注,人们利用各式的超材料结构来达到操控电磁波传播的目的,在物理、通信、医学、军事等领域具有良好的应用前景。本文将针对超材料课题展开讨论,重点研究了用超材料设计完美旋转衣、内置空气的伊顿透镜和DB电磁边界等几种光学器件,具体内容如下:一、微波段、太赫兹频段和近红外波段的完美旋转衣的设计首先我们分析了由金属条和空气复合而成的各向异性的结构单元,通过数值模拟获得了该周期单元的有效电磁参数,并用由该周期单元组成的扇形层状结构实现了旋转衣,但是该旋转衣会带来一些散射。为了消除散射,我们通过设定背景和内壳区域为介电常数为1.4的电介质,实现了微波段宽频完美旋转衣。接着,我们把完美旋转衣的工作频段推广到了太赫兹频段和近红外波段,提出了由空气、二氧化硅以及硅三层介质组成的波导模型,并采用在硅层区域中打孔和挖槽的方法,设计了太赫兹频段和近红外波段的完美旋转衣,用数值模拟软件展示了它们的旋转效应。二、用H分形的超材料实现内置空气的伊顿透镜首先我们简单描述了麦克斯韦鱼眼透镜、楞勃透镜以及伊顿透镜的光学特性,主要介绍了内置空气的伊顿透镜的成像功能:它可以使物像位于介质的同一侧且都在空气中。为了实现该透镜的折射率分布,我们设计并制备出了一种由H分形结构的铜丝刻在介质板上的样品。随后,我们在微波段测量了该样品的成像特性,从实验的角度上验证了内置空气的伊顿透镜的成像功能。三、用SRR和ELC共振结构组成的超材料实现DB电磁边界我们对理想导体边界和DB边界的反射特性进行了对比和分析,发现DB边界不仅可以发生全反射,而且还能很好地保持入射波的偏振和相位信息。当右旋或者左旋偏振波入射到其界面时,反射波的手性能够保持与入射波的一致。随后,我们设计并制备了由磁共振单元SRR和电共振单元ELC结构组成的超材料,并通过采用线偏振天线和圆偏振天线做发射和接收源,我们在不同的入射角度下,对相应的反射系数和相位进行测量。此外,我们还旋转样品来改变波矢的方向,对其的反射特性进行再次测量。两次的测量结果证明了样品具有良好的对称性,且实验测量的结果与数值模拟基本吻合。最后我们得出结论:所设计的SRR和ELC相结合而成的超材料在10GHz下可实现DB边界。四、用保角变换的方法设计隐身与成像同时呈现的光学器件根据保角变换理论,我们可以通过Zhukowski变换建立虚拟空间(w空间)和真实空间(z空间)之间的联系,其中在w空间里有两个黎曼页,它们相交于一条支割线。当把麦克斯韦鱼眼透镜放置在w空间下方的黎曼页内时,我们可以设计一种保角变换光学器件,它能够在几何光学和波动光学下实现隐身。另外,我们在下方黎曼页内放置两个相切的麦克斯韦鱼眼透镜时,还可以优化该类器件的折射率分布。同时,这类隐身器件还具有很好的成像特性,由于支割线本身可以担当吸收体的作用,我们并不需要在其内部放置额外的吸收体就可以使它成像。最后,我们还发现该装置可以实现二变一(2N变N)的幻觉光学现象。