超材料是利用介质或金属人工微纳结构来调控物质宏观物理性质的新型材料形态。这个概念被提出之后便被预言可能产生颠覆性的应用,多年来作为学科前沿热点获得持续广泛关注。光学超材料更是因其蕴含的丰富物理机制及光电技术重大应用前景成为了超材料的核心研究方向之一。其已被证明能够利用等离激元耦合、声子极化激元耦合、模式共振、模式湮灭等效应实现材料电磁参数的调制及复杂的光场调控功能,并且各种新机制、新特性、新功能仍在被不断探索和发现。本论文基于近年来微纳制备工艺技术的突破给光学超材料带来的发展机遇与应用基础,以超材料对电磁波的灵活操控及其光探测应用为主要研究方向。从超材料完美吸收器、红外热辐射调控、宽带电磁偏折和声子极化激元的类契伦科夫辐射几个方面展开研究,主要研究工作与创新点如下:1.基于漏模耦合理论的逆向设计方法,提出了在1.55μm附近的亚波长光栅增强石墨烯的完美吸收器。研究了纳米介质波导中的模式共振与模式耦合特性,通过匹配材料的本征损耗和结构漏模的辐射损耗,实现了高品质因子的窄带完美吸收,其吸收率高达99.98%,品质因子高达1034。同时,利用顶部石墨烯结构电导率可以通过外加偏压调节的特性,进一步研究了器件吸收性能的动态可调性。利用吸收器高品质因子的特点,探究了器件作为环境折射率敏感探测器的性能,得到的品质因子高达1329。此完美吸收器具有极窄的吸收峰并且峰位可调,在传感和生物领域具有重要的应用潜力。2.研究了一种全介质多层级联的结构,可以实现对长波红外的热辐射的选择性发射。通过对多层级联结构的理论模拟,对长波红外的吸收谱进行了定向的剪裁,利用算法优化得到了一个类矩形的吸收谱。在非大气窗口波段可以实现宽带的高于95%的发射率,而在长波大气窗口波段可以实现低于3%的发射率。器件对入射电磁波的极化不敏感,并且在斜入射角度大于45度时也可以保持良好的类矩形发射特性。此结构的优异性能在红外传感和热成像领域有着潜在的应用前景。3.理论研究了一种可以实现偏振无依赖的宽带电磁偏折超表面。根据广义斯涅耳定律,为了实现宽带等相位梯度的超表面单元设计,通过减小单元结构的反射相位的色散和引入大的设计自由度,得到了一系列色散较小且相位覆盖超过2π的单元结构。通过对单元的优化和组合,形成了在0.9-1.2GHz宽频段的等相位梯度,实现了偏振无依赖的宽带偏折效果。检验了器件对不同偏振的入射光的偏折效果,并获得了不同偏折角度的阵列结构。4.基于超表面的相位调控,在六方氮化硼（hexagonal boron nitride,h-BN）中实现了基于声子极化激元的类契伦科夫辐射。利用h-BN中单元结构的相位调控,构造了一个等效的极化激元行波,在平面波入射下可以实现声子极化激元的激励和传播控制。研究了入射波波长、h-BN厚度和斜入射角度对契伦科夫辐射角度的调制作用,分析了契伦科夫辐射角度变化的物理内涵。另外提出了可以实现宽带表面电磁偏折的阵列,由于h-BN对光的超强局域特性,此器件对入射光的调控可以在深亚波长尺寸完成。