自从21世纪初首个GHz（微波）波段的超材料问世以来,超材料目前已发展成一个涉及物理学、材料学、生物医学以及光信息学等多学科交叉的前沿学科,近年来超材料己成为国内外学术界以及产业界的研究热点并受到持续广泛的关注。鉴于表面等离激元共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）所能带来的优异光学特性,最初人们普遍将SPR与超材料结合起来构成表面等离激元超材料用于光学器件的设计与制作,这样的光学器件能够克服衍射极限,在亚波长尺度上实现光的产生、传输以及调制等。表面等离激元材料具有的不可避免的欧姆损耗严重制约了超材料在光学器件方面的进一步应用。为了避免金属带来的较大损耗,研究者们对超材料的研究逐渐从金属超材料过渡到了介质超材料。实际上金属和介质有其各自的优缺点,合理地设计金属-介质复合结构的超材料会整合提升体系的优点同时克服其缺点。这将为超材料的进一步发展应用带来新的突破。本论文采取理论分析与数值模拟相结合的方式展开研究,全文共分为六个部分。第一章绪论部分系统地介绍了表面等离激元和超材料的相关理论、应用以及最新进展,并在此基础上提出本论文的主要设想与研究思路。第二章重点介绍了本论文所用到的相关理论及数值计算方法。第三章利用金属-介质核壳单纳米粒子实现了可见光宽波段的远场定向散射及近场能量分布的调控;并进一步利用核壳纳米粒子链状结构实现了从可见光-近红外超宽波段的定向散射。第四章设计了一种基于全介质的二维纳米粒子阵列结构在可见光-近红外波段内实现了波长选择的完美反射与完美透射的超表面。第五章设计了一种基于金属-介质复合结构的超材料,实现了可见光-近红外波段的多窄带完美吸收。第六章,全文总结与展望。本论文工作的主要工作及创新点如下:（1）利用基于金属-介质核壳单纳米粒子实现了可见光宽波段的远场定向散射及近场能量分布的调控。在波长535-675nm范围内获得了 140nm宽波段的定向前向散射,另外,可以将“热点”调控在Au核表面、Cu2O壳层表面或同时存在于两者表面。并进一步利用核壳纳米粒子链状结构来提高定向散射的方向性,同时将定向散射的波长范围进一步拓宽,实现了从可见光-近红外超宽波段的定向散射。本工作为未来光学芯片的广泛应用以及高灵敏度光谱在纳米尺度上的应用提供重要的理论支撑。（2）设计了一种基于全介质的二维纳米粒子阵列结构在可见光-近红外波段内实现了波长选择的完美反射与完美透射的超表面。该超表面结构可在945-1020nm的波段范围内实现98%以上的完美透射,在668-780nm的波段范围内实现98%以上的完美反射,且在670-770nm波段范围内平均反射率超过了99%。进一步通过改变超表面的结构参数,在可见光-近红外波段范围内对实现完美反射与完美透射的位置进行了调谐。我们设计的超表面在宽带滤波器、彩色打印以及平板显示等领域有着巨大的潜力。（3）设计了一种基于金属-介质复合结构的超材料,通过结合介质材料Mie共振模式的窄带宽和金属材料具有固有损耗的特点,实现了可见光-近红外波段的多窄带完美吸收,且吸收率最高可达到99.8%。并且通过改变结构的周期,实现对吸收峰的位置和个数进行调谐。另外,将介质的Mie共振模式与金属的PSP模式耦合所带来的超窄半峰宽用于折射率传感,并对其性能进行了评估,最高的FOM值可达到133.3 RIU-1。我们设计的该种超材料在窄带滤波器、分光镜以及红外传感器等领域有着极大的应用前景。