本论文研究的超材料都是金属-介质-金属(metal-dielectric-metal, MDM)三明治结构的超材料,具有负折射率和负磁导率等特性,通过结构的优化设计,能实现光学超常透射、负折射、阻带、大带宽通带等。本文的研究主要包括三大部分,第一部分是金属-介质-金属三明治结构超材料样品的制备,并使用傅里叶红外光谱仪测量超材料样品的透射率。第二部分是超材料的结构设计对自身的电磁性质的影响及其物理机制,第三部分是实现阻带滤波器、大带宽通带滤波器等超材料功能器件的结构设计和数值研究,以及带宽通带滤波器的样品制备。同时,通过对比超材料样品的测量透射率和模拟透射率(主要是对比峰位和峰值),验证模拟工作的有效性。使用S参数反演方法提取超材料的有效参数,并获得超材料在共振频率的电磁场场强分布情况,探索物理机制。本论文的主要内容如下：1.介绍了本论文所采用的数值模拟方法的基本原理和模拟软件。同时,本论文在实验上制备了不同结构设计的金属-介质-金属三明治结构超材料样品。2.数值研究了圆孔型MDM超材料的晶格常数对光学透射谱和负折射等电磁性质的影响。随着晶格常数的减小,超材料的低阶透射峰出现异常增大现象,其物理机制为阻抗匹配,负折射带随着晶格常数的减小而蓝移。对于长方形孔阵列MDM超材料,通过对比测量透射率和模拟透射率,验证了课题组的模拟工作对模拟条件设置的有效性。通过增加长方形孔的长度,主透射峰和低频透射峰的峰值都增加,同时峰位都出现红移现象。在低频透射峰范围内负折射率的绝对值和负折射带宽都随着长度的增加而减小。3.研究了不同形状的孔对MDM超材料电磁性质的影响,在相同的条件下,十字型孔的低频透射峰振幅达到最大,圆孔型的单元结构得到最大的负折射率,但是负折射带宽最大的是长方形孔。研究了子结构对复合结构超材料电磁性质的影响,通过改变金属条在纵轴方向上与长方形孔阵列之间的距离可以调节LSP模式之间的相互干涉和耦合作用的强度,从而调制超材料的电磁性质。4.研究了介质层的厚度和介电常数对长方形孔阵列MDM超材料电磁性质的影响。当ε=4时,超材料的低频透射峰的振幅达到最大,达到阻抗匹配条件。随着介质层厚度的增加,负折射率和负折射带宽都增大。通过运用数值拟合方法,可知介质层厚度与超材料的负折射率之间存在着类似线性的变化规律。5.本论文设计了一种十字-圆孔型太赫兹频段超材料阻带滤波器,通过该结构是可以得到较大带宽的阻带的。通过计算滤波器的近场电场强度和电流分布强度,发现物理机制为两种共振模式的综合导致的。发现该滤波器对金属材料是不敏感的但对介质层的介电常数非常的敏感。研究了一种修改型的双鱼网超材料结构,得到了较大的透射带。发现在透射带内出现完美阻抗匹配,导致了大带宽透射带的形成。通过增加主空气孔的孔径,超材料的透射带带宽是增加的,但平均透射率是下降的。减小介质层的厚度,会得到更大的透射带。最后,设计了一种改进型双鱼网结构超材料带通滤波器,并从实验制备和模拟两方面验证该结构设计的有效性。该超材料滤波器可以得到从90.0到105.0THz的可操作透射带。主要物理机制是在透射带范围内的阻抗匹配。