超材料作为一种由周期性亚波长单元组成的人工微纳结构,能够与电磁波相互作用,实现许多自然界不存在的奇异物理特性。通过对人工微纳结构的设计,可实现对电磁波的振幅、偏振、相位等固有属性的有效调控。然而,由于材料的固有色散和超材料的共振特点,超材料仅在特定频率下表现出许多奇特的物理特性。这种窄波段的响应极大地限制了超材料结构在多个领域的应用,比如完美吸收、偏振转换、波束操控等。因此,本论文设计并制备了一系列宽波段响应的超材料,通过对电磁波的振幅、偏振、相位进行调控,实现了宽波段的完美吸收、线偏振转换、电磁波波前操控,并对宽波段响应的机理和特性进行了分析研究。本论文的主要研究内容如下:一、通过有掩膜刻蚀工艺制备了一种Zn O-Au堆叠的圆台型多层超材料,实现了宽波段、偏振不敏感且广角的完美吸收器。有掩膜刻蚀工艺由曝光工艺和离子束刻蚀工艺组成,具有可大面积制备、灵活可调、多图案化等优势。实验结果表明,Zn O-Au多层超材料通过调整尺寸参数,可以实现不同波段的宽带完美吸收。多层圆台结构可分解成一系列的金属-介质-金属(MIM)结构,而MIM结构可看作间隙表面等离极化激元模式的类法布里珀罗腔,能够实现特定波长的入射光的捕获。因此,多层圆台结构可看作一系列不同尺寸的类法布里珀罗腔的集合,具有多个波长处的吸收响应,从而实现了宽波段的完美吸收现象。这种宽波段的超材料吸收器在太阳能电池、热辐射、生物传感等领域具有广泛的应用前景。二、设计并制备了一种对称性破缺的孔洞型单层超材料,实现了宽波段的线偏振转换。对称性破缺的单层超材料由非对称的劈裂谐振环结构和方形孔组成。模拟和实验结果表明,对称性破缺超材料在较宽的频段范围内具有高于70%的线偏振转换效率(模拟带宽:200.1 THz-240.6 THz;实验带宽:195.3 THz-236.4THz),实现了宽频段且高效率的线偏振转换。透射光的偏振态分析说明,在特定频率下,对称性破缺超材料可将入射线偏振光转换为圆偏振透射光。两个响应特征频率处的电场分布表明,谐振环的对称性破缺可激发出垂直于入射偏振的电场分布,同时局部对称性导致同极化分量的抑制,从而获得了高的线偏振转换效率。两个特征响应的叠加,获得了宽波段的线偏振转换。这种高效率且宽频带的单层超材料偏振转换器在偏振调控、光束操控等领域具有广泛的应用前景。三、利用Ag和Zn O纳米片堆叠的双曲超材料实现了高效且宽波段的圆偏振转换和几何相位调控,并设计了可变图像显示、宽带圆偏振分束器以及兼具圆偏振转换与“三棱镜”功能的3D集成超材料器件。通过调整双曲超材料的尺寸参数,获得了具有不同的圆偏振转换性能的双曲超材料,设计了一种入射波长和反射偏振双维度调控的可变超材料图像显示。对于具有宽波段圆偏振转换性能的双曲超材料,可在400 nm-750 nm波段实现高于85%的圆偏振转换效率。对该双曲超材料的单元结构进行几何相位排布,实现了宽波段且高效率的圆偏振分束器。在此基础上,提出了一种由圆偏振分束器与滤波器串联而成的3D集成超材料,实现了交叉极化圆偏振光在空间上与波长上的分离,是一种具有圆偏振转换性能的微型“三棱镜”器件。这种几何相位双曲超材料能够在整个可见波段工作,有利于宽波段电磁波波前操控的实现。同时,设计的3D集成超材料器件兼具圆偏振转换与“三棱镜”功能,丰富了超材料光学器件的应用。