近些年来,人工超材料及超表面的研究引起了学术界的广泛关注。通过设计不同的超材料及超表面结构,人们可以实现对电磁波的自由操控。本文主要从三个方面,包括电磁波的透射调控、吸收调控以及反射调控加以论述。具体内容如下:一、微波超材料的电磁透明现象。通过两类人工电磁超材料的设计,我们实现了对电磁信号的透射调控。一类设计是通过将两块刻有深亚波长狭缝阵列的金属板层叠来实现电磁波的异常透射(EOT)现象。对于这样的现象,我们分别从微观LC共振电路模型和宏观有效介质理论模型两个不同的角度给予了相应的物理解释。另一类设计是利用层叠的平行金属片来实现TM波在一系列类法布里-珀罗(FP)共振频率处的完美透射。通过研究发现,此类结构可以帮助设计各种多频带工作的变换光学器件,其原理是电磁波在缝的长度方向上形成类FP共振,在合适的透射频率位置处,经过器件内部的电磁波可以同器件外自由传播的电磁波的相位重新匹配起来。二、基于透明导电薄膜的电阻性超表面的电磁吸收。导电薄膜能通过自由载流子吸收(欧姆损耗)机制在深亚波长空间尺度上耗散电磁波,因此,也被称为电阻性超表面(或ohmic sheet)。根据调控需要,其表面阻抗(即方块电阻)可以设计为均匀的或者是空间渐变的。通过在微波频率范围研究超薄导电膜的吸收特性发现,如果我们让薄膜的方块电阻值满足某种阻抗匹配条件,就可以实现50%的吸收极限。要想打破这样的吸收极限,可以借助于相干完美吸收(CPA)的概念。实验上,我们让两束同振幅、同相位、同极化方向的电磁波相对照射到方阻为180Ω的透明导电薄膜样品上,从而实现了在6-18GHz范围内与频率无关的近乎完美(~100%)吸收特性。需要特别指出的是,实验中导电薄膜的厚度远远小于波长,大约为λ/10000甚至更薄。同样还是借助于相干照射的方法,我们在实验上实现了单原子层石墨烯的完美电磁吸收。利用相干照射的波导系统,未经结构设计的单原子层石墨烯在整个X波段(7-13GHz)范围内吸收均可达到94%以上,并且在约8.3GHz频率下实现了大于99%的近乎完美吸收。此外,我们还从实验和数值上证明了相干完美吸收可以在单束电磁波照射的情况下实现。我们提出在新的CPA系统装置中用一个完美磁导体(PMC)表面作为一个镜像边界来取代两束电磁波的相对照射。而这样的PMC表面实际上可以利用高阻抗表面,比如蘑菇结构来实现。然后通过将一片方块电阻值为377Ω的透明导电膜放在PMC表面前边就可以实现单束电磁波照射下的相干完美吸收。尽管等效的CPA装置表现出来的是单频或者窄频带的电磁吸收特性,但这样的PMC表面弱化了先前两束电磁波相对照射的条件。三、利用电阻性超表面(透明导电薄膜)的减反研究。理论上提出了一类深亚波长尺度下减反射涂层的设计,在这样的涂层内部满足了电场或磁场的切向分量连续。我们的理论模型给出了超薄减反涂层的有关参量,这就意味着各种类型的媒介包括导电薄膜、增益材料和零折射率材料在满足一定条件时均可实现减反特性。特别的是,我们发现在射频及微波频率下超薄导电薄膜更加适合用作减反膜,并且在实验上也证明了这样的超薄导电膜(<λ/10000)可以实现宽带(5-17GHz)、宽角度以及偏振无关的减反射特性。对于不同的衬底,可以通过调节导电薄膜的厚度和电导率来满足减小反射的条件。有趣的是,当加上这样的涂层后,原本介质板中的FP共振就可以被消除,进而表现出了与频率及厚度无关的反射和透射特性。这样的特性可以用来改善带有介质外壳的天线辐射图案。我们还进一步在理论上指出10-25nm的Ti薄膜可以在红外频率范围内实现宽带、宽角度以及偏振无关的性质。