对光与物质之间相互作用的理解以及对光及电磁波的操控,一直是人们梦寐追逐的目标,也是科技领域中至关重要的课题。随着工艺技术的长足进步,人们可以制造微米,甚至纳米级的具有任意形状或图案的金属周期结构。当电磁波与这些具有亚波长尺寸的金属周期结构发生作用时,出现一系列新现象和新效应,例如metamaterials(即电磁超介质)和表面等离子体。“电磁超介质”是通过周期排列某种几何结构单元获得的具有自然媒质所不具备的新型电磁特性的一种人工材料。电磁波能够在有效介电常数和有效磁导率同时为负值的电磁超介质中表现出后向波传输、负折射、倏逝波放大等奇异特性。电磁超介质的电磁性能高度依赖单元的几何结构,这为人们获得具有超常电磁性能的“新媒质”提供了一种全新的材料设计理念,为人们操纵、控制光及电磁波提供了新的途径。　　 电磁超介质通常基于金属的结构单元,采用金属便于实现形状或图案各异的周期结构,但金属的损耗问题是限制金属电磁超介质负折射性能及其应用的关键。结构简单,易于制备,且性能(低损耗、宽频带、固态的、均匀各向同性)良好的电磁超介质是科研工作者追求的目标。本论文设计并研究了几种工作在微波、太赫兹和红外波段的电磁超介质,探索可以实现“负折射”,且能有效降低损耗的结构和机制。同时,针对制约表面增强光谱技术实际广泛应用的瓶颈,即传统衬底结构可控性差导致的表面增强光谱重现性差的问题,对具有可控、稳定、高效的电磁场增强效果的电磁超介质结构在表面增强光谱衬底方面的应用进行了探索。　　 本文的研究工作和创新点如下:　　 1.研究了电磁波垂直入射时双闭合环和双劈裂环共振器的电磁响应及其微观机制。发现由于内外环电响应的共振耦合,双环共振器具有低频的反对称模和高频的对称模。利用外电场激发内外环“断续线”型电响应和反对称模贡献的负磁导率,双环共振器可以在电磁波垂直激发时实现负折射。　　 2.设计了一种工作在太赫兹波段的等方型十字孔渔网电磁超介质结构,研究了主要结构参数对其电磁响应以及左手性能的影响,并利用磁响应的LC有效电路模型解释左手频带对结构参数的依赖关系。与现有的矩形孔渔网状“金属/电介质/金属”电磁超介质相比,该结构的电磁响应可以不依赖入射电磁波的偏振,并且具有较高品质因数(FOM>4)和透射率(T>80％)。　　 3.探索分布有孔阵列的渔网电磁超介质结构在其左手通带发生的超强透射现象的起因,发现左手通带紧邻与波导谐振模式关联的超强透射峰,利用超强透射效应可以有效降低电磁超介质的损耗,提高品质因数。渔网结构中电介质层和金属层厚度对磁共振以及左手性能的影响主要源自于波导谐振模式对孔尺寸以及深度的依赖。　　 4.提出一种偏振可控的近红外双左手通带平面电磁超介质,即具有不对称十字孔(十字孔的两臂长或臂宽不同)阵列的“金属/电介质/金属”结构。详细讨论并利用理论模型解释改变臂长和臂宽对双左手通带的调制作用。进一步计算空间局域电场分布发现与等离子体模式关联的激发电场可以在两金属板中间区域引起12倍的电场增强,当探针分子处于这些“热点”位置时可以获得～104的拉曼信号增强。　　 5.系统研究了不对称双劈裂环阵列结构在光波垂直入射下的可调谐等离子体光学性能和不同共振模式激发时的场增强效应。该结构在近红外和可见光区域有两个强消光峰,分别对应等离子体的一阶共振(Ⅰ)和二阶共振(Ⅱ)。通过激发不同的共振模式,不对称双劈裂环阵列结构可以在近红外和可见光波段,在相同空间区域,即裂口位置获得显著增强的电场,电磁场热点位置位于金属弧的棱边和棱角附近,最大电场增强接近或超过一100,分别对应红外吸收和拉曼增强因子～105和1012～1013,并且增强效果可以通过缩小裂口宽度和优化金属弧顶端结构得到进一步提高。