超构材料(metamaterial)通过人工排列亚波长金属单元构造介电常数和磁导率均可调控的光电功能材料,以控制电磁波在介质中传播、实现若干奇特物理性质,如光的负折射、光学超高分辨、光学隐身等等。过去的研究通常分别设计不同的结构单元,使材料对电磁波的电响应和磁响应发生在特定频段。在同一频率下通过改变入射光的偏振方向分别得到纯的电响应和磁响应是有效实现电磁波调控的重要步骤。另外一方面,利用手性结构通过旋光效应实现电磁响应的控制,或利用不同手性的单元通过结构组合而得到非手性的基元,使其电响应和磁响应得以独立调控是超构材料设计和制备的新途径。基于这样的思想,本论文的分别选择了准二维和三维的手征单元,分别组合出旋光基元和消旋光基元,实现了电响应和磁响应的调控,并提出若干实现负折射率的方案。本论文研究取得了下列几个方面的成果：1.利用双层USR结构排列组成了具有四次对称性质的手性超构材料。这种手性超构材料在电磁波的激发下在两个频段具有不同的旋光性质。在低频,超构材料在右旋圆偏振光的激发下响应强烈而在左旋圆偏振光的激发下响应减弱。在高频,左旋圆偏振光激发响应强烈而右旋圆偏振光激发的响应减弱。这样的旋光结构可望在低频对于右旋圆偏振光实现负折射,而在高频对左旋圆偏振光实现负折射。该结构设计大大减小了常见手征材料设计中诱导电偶极矩和诱导磁偶极矩之间存在夹角问题,提高了旋光效应在超构材料设计中的效率。2.利用双层U型谐振单元(USR)设计了一种双频率响应的超构材料。随着入射光的偏振方向的改变,可以分别在低频实现纯磁响应,在高频实现纯电响应；或者在低频实现纯电响应,而在高频实现纯磁响应。通过在特定频率实现纯磁响应和纯电响应可进一步获得负磁导率和负介电常数。该项研究首次揭示了通过改变入射光的偏振状态在特定频率实现纯磁响应或纯电响应的技术途径,为设计负折射率材料提供了新的思路。3.对USR双层结构进行变形,得到HSR(H型谐振单元)双层结构。在结构渐变的过程中,对应不同偏振入射情况,纯电响应或者纯磁响应的频率可以调节。当原本在USR中彼此分开的纯电响应和纯磁响应被调控到同一响应频率的时候,可以实现负折射。该项研究揭示了电／磁响应与基元结构的关系,对于深入了解超构材料中的耦合具有重要意义。4.在研究准二维基元结构的基础上,本论文利用同种手性的螺旋结构排列组合得到了一个具有四次对称性质的手性超构材料。这种超构材料具有一个响应频率,在这个频率具有高效率的旋光特性并且对于左(右)旋圆偏振光可以实现负折射。该体系的特点是当螺旋结构三维堆砌时,层与层之间的相互耦合较弱,从而有利于构建三维超构材料。5.利用两种手性相反的螺旋结构组合得到一种非旋光的超构材料。这种超构材料随着入射光偏振状态的改变,在同一频段能够实现纯电响应和纯磁响应的转换,进而分别实现负介电常数和负磁导率。与USR工作相比,它可以在特定频段实现纯电响应和纯磁响应之间的转换,特别是由于螺旋结构的特点,这种超构材料可以方便地构建多层超构材料。