如何自由操控电磁波的传播,以及揭示电磁波与物质之间的新效应,一直是研究人员们探究的前沿热点。而人工电磁微结构的出现为这一目标的实现提供了强有力的保障,并对材料科学、电磁学和光学器件设计等众多领域的发展都起到了巨大的推动作用。从有效介质理论出发,本文主要通过电磁参数调控和优化,结合光子晶体、各向异性超材料和超表面等人工电磁微结构设计,实现了互补介质和规范场材料等新型材料,研究了操控电磁波的全新物理机制,构建了包括偏振相关分束器和高效定向准直器等新型应用,也对其中存在的其它新效应进行了探索。本论文的具体内容主要包含以下几个方面:一、利用电介质光子晶体实现互补介质基于低损耗的纯电介质光子晶体,提出了一种简单而有效的互补介质构建方式。当正方晶格光子晶体的填充率为某个特定值时,布里渊区中心会偶然简并形成一个类狄拉克(Dirac-like)锥形光子能带。这样的光子晶体可以被等效为双零折射率材料,即有效介电常数和有效磁导率同时为零,且随频率线性变化。通过缩放光子晶体的尺寸调节相应的狄拉克点频率,可以实现有效介电常数和有效磁导率大小相等,正负号相反的两个光子晶体结构,并由此构建出低损耗的互补材料。在微波实验上也验证了这样的光子晶体结构确实具备空间相消等互补介质独具的效应。二、利用各向异性超材料实现人工规范场通过理论推导,成功利用电共振各向异性超材料实现了人工规范场的“物质化”。即当有效介电常数张量满足特定条件时,其等频率曲线为两个朝相反方向偏移且分别对应不同赝自旋模态的圆,可以看作是一个具有有效矢势的二维规范场材料。电磁波在该材料中传播时会分裂成两束赝自旋不同且向不同方向偏折的电磁波。基于这个特性,成功构建了偏振相关分束器。虽然是在微波段开展的实验工作,但是基于相同的设计准则,在光波频段同样能实现人工规范场。三、类Zitterbewegung现象的研究Zitterbewegung是由于能态之间的相互干涉,使得其在传播路径上发生周期性的抖动。Zitterbewegung是电子波动性的直接证明,但由于抖动的幅度与电子的波长是可比拟的,极难直接观察。本论文分别利用具有类狄拉克锥形能带结构的二维光子晶体以及各向异性超材料,来尝试观察类Zitterbewegung现象。电磁波脉冲在具有类狄拉克锥形能带结构的光子晶体中表现出的类似Zitterbewegung的现象,本质仅是狄拉克点附近频率被滤波之后的波形重塑,仅在频率域而没有在空间域发生。相反,在用各向异性超材料构建的均匀介质中我们实验观测到了光波束在传播路径上的抖动,且现象上和非阿贝尔规范场理论所预言的一致。四、利用超表面实现亚波长小孔出射准直器由于长周期光栅结构会激发高阶衍射级次,基于光栅结构的亚波长小孔出射准直器普遍存在衍射效率偏低的问题。利用梯度超表面代替光栅结构,就可以自由设计选择需要的衍射级次且抑制其余衍射级次,从而将绝大部分的电磁波散射到想要的方向上,实现了更高的衍射效率。通过人工电磁微结构设计,我们可以实现更多的奇异电磁材料,掌握更多操控电磁波和光波的方法和手段,希望揭示更多新奇有趣的性质和效应并推动社会经济发展。