环形偶极子（Toroidal Dipole,TD）具有新颖电磁响应特性而受到广泛的研究和应用,有望解决等离子体和光子晶体系统的辐射损耗并实现天线、传感器、激光、非线性光学和全息成像等应用。超表面支持的TD谐振与电或磁谐振干涉,产生近场耦合效应,能够实现亚波长操纵光、Fano和电磁感应透明（Electromagnetically Induced Transparency,EIT）谐振。Fano和EIT谐振具有低损耗和近场高局域特性,其在光通信和光电调制器等领域有应用前景。随着相关研究步入近红外和可见光波段,金属热损限制共振质量和高性能器件应用。因此,本文基于介质材料的TD超表面设计,实现Fano、EIT和连续域束缚态（BIC）谐振,并研究其物理机理。通过多极干涉和耦合模理论揭示了电磁模式间的耦合作用,实现了定向散射增强、TD Fano共振、无极子模式、有源光开关、准-BIC共振及其传感。本论文研究的主要内容和创新如下:1.基于高折射率陶瓷粒子中激发Mie共振,研究其多极干涉,实现无极子模式和单向散射增强。通过集体晶格耦合效应以增强TD响应,实现了多频高Q因子的TD Fano谐振超表面,最大的Q值达3×10~4。多极反演计算的反射谱和数值仿真计算一致。研究了温度和损耗对Fano共振强度和线宽的影响,使其满足潜在的新颖应用。2.基于磁TD原理,设计耦合硅螺旋TD超表面,在近红外实现了由磁TD和电四极子形成的亚辐射模式与磁偶极子的辐射模式相互干涉耦合形成了高Q值的EIT谐振,其Q值量级可达10~4,在该研究领域处于领先水平。由于其单元结构有很高的自由度,可通过改变螺旋结构的横距来调控环形谐振器的耦合强度,拓扑参数也可优化其环形响应性能。此外,基于耦合模理论和多极干涉理论定量解释了EIT共振的物理机制,对设计高性能器件和多极相互作用产生新颖电磁现象提供研究指导。另外,在衬底上集成石墨烯带实现连续调控电磁耦合效应,EIT窗口的调制深度可达90%。提出的超表面在光学滤波器、光电调制器和开关等领域提供一个可行的方案。3.设计劈裂硅盘二聚体,通过打破C2对称性,实现电磁模式的扰动,以弱辐射的形式调用泄漏通道,实现了与偏振相关、低辐射损耗和强场局域的多频准-BIC模式。多极理论揭示了在x偏振光入射下激发受BIC控制的Fano共振（分别源于磁偶极子和电TD、磁四极子和磁偶极子的干涉作用）;在y偏振光入射下激发受BIC控制的Fano和EIT共振（Fano和EIT共振都源自于磁四极子和电TD之间的干涉耦合作用）。在离散对称恢复点,辐射Q因子趋于无穷大,且与结构或介电不对称性呈反比关系。研究几何参数对Fano和EIT线型质量和谐振峰值位置的影响。设计光学传感器可实现高性能传感,其灵敏度为288 nm/RIU,优值（Fo M）为25800。所提出的超表面结构简单,易实验实现,还可应用于激光、非线性等领域。