超材料是一种人工制备的电磁材料,具有表面微纳结构,当电磁波入射在上面并与其发生相互作用时,往往会表现出一些异常的现象,比如反常折射,波向后等。之所以表现出这些异常光学现象是因为它具有一些自然界中天然材料所不具备的电磁性质。它的出现突破了传统电磁材料的局限,大幅度的提升了电磁材料的综合性能。现如今超材料已经发展成为了一个涉及物理学、材料学等多个学科的交叉前沿学科。而超材料完美吸波器具有许多传统吸波器所不具备的优势,如完美吸收、光谱选择性即工作波长可调节等,可广泛应用于传感器、探测器、隐身材料等领域。最近几年超材料完美吸波器已成为纳米光学领域的研究热点之一。本文在理论和方法部分中首先介绍了红外超材料完美吸波器的吸收机理,主要包括基于阻抗匹配的完美吸收理论和涉及到的表面等离子体激元理论。其次阐述了对红外超材料完美吸波器进行设计和优化所使用的模型和方法,主要包括等效介质模型法和等效电路模型法。然后详细介绍了本文中模拟计算时使用到的核心算法——时域有限差分法。本文的具体研究工作内容如下:(1)设计并理论模拟研究了一种基于金材质矩形微纳结构的短波红外双波段超材料完美吸波器。该吸波器结构单元具有三层结构,自下至上分别是金材质的连续金属隔挡层、二氧化硅连续介质间隔层和金材质的矩形图案谐振结构层。当电磁波正入射时,所设计超材料吸波器在1.194?m和1.596?m处实现了完美吸收,吸收率分别为99.76%和99.85%。随后分析了产生完美吸收的物理机制,通过对电场分布和电流分布进行分析,我们知道完美吸收是由超材料结构单元内的磁通量与入射电磁波磁场分量发生磁共振所导致的,并且在实现完美吸收的过程中始终伴随着局域型表面等离子体共振(LSPR)和局域场增强。考察了所提出的超材料完美吸波器对入射电磁波偏振方向和入射角的稳定性,所设计超材料完美吸波器对于无论是TE偏振或是TM偏振的入射电磁波,当入射角在60°范围内时,超材料吸波器对入射电磁波的吸收波长和吸收率都没有大幅度的变化。(2)设计并理论模拟研究了一种两组谐振结构层和介质间隔层堆叠的长波红外双波段超材料完美吸波器。该吸波器结构单元具有多层结构,自下至上分别是金材质的连续金属隔挡层、圆盘形二氧化硅介质间隔层、金材质的圆盘形谐振结构层、圆盘形三氧化二铝介质间隔层和金材质的圆盘形谐振结构层。当电磁波正入射时,超材料吸波器在7.301?m和11.042?m处实现了完美吸收,吸收率分别为99.92%和99.89%。其对于TM偏振的入射电磁波,当入射角增加至60°时超材料吸波器仍保持着高于94%的吸收率。对于TE偏振的入射电磁波,当入射角增加至60°时超材料吸波器的吸收率降低至85%。分析了在TE模式入射电磁波情况下吸收率明显降低的原因,认为是由于当TE模式入射电磁波的入射角较大时在水平方向上的磁场分量明显减小从而影响磁共振效果所导致。(3)在前两章的研究基础上,利用二氧化钒材质的温控相变特性对提出的设计方案加以修改,提出了吸收曲线可调节的超材料完美吸波器设计方案。通过将前两种方案中的部分金材质谐振结构替换为二氧化钒材质,可以使用改变环境温度的方法来使超材料吸波器吸收曲线在单波段吸收和双波段吸收之间可逆转换。