电磁超材料是一种由亚波长谐振单元构成的人工电磁材料,能够实现不限于自然界中现有材料的电磁参数和/或电磁参数的空间分布。因此,电磁超材料展现出了前所未有的操控电磁波的能力。目前,基于电磁超材料,已经实现了包括:负折射、隐身、完美透镜、波隧穿波导在内的很多新颖功能。在本文中,我们主要讨论了低维电磁超材料(如二维的电磁超表面和一维的渐变线结构)的电磁波操控能力,并探究了其潜在应用,例如:超薄电磁隐身衣、界面上高效电磁波操控、传播波-表面波转换等。本文主要的研究内容、动机、创新点概括如下:一、基于电磁超表面和近零折射率材料的透射式电磁波隐身方法长久以来,隐身一直是人类的一个美妙的梦想。随着电磁超材料的不断发展,实现隐身正在变得越来越现实。最近科学家们提出了一种基于电磁超表面的隐身方法。基于这个方法,隐身衣的厚度和复杂性得以显著降低。然而之前的这种隐身机制是基于反射式电磁超表面,因此这种方法只适用于反射式电磁隐身。在这项工作中,通过结合透射式电磁超表面的波前调控功能和近零折射率材料的波隧穿功能,我们提出并实现了一种在透射空间和反射空间同时实现电磁隐身的隐身衣。这个原理是一般性的,适用于任意的形状。为了在实验上验证这一隐身原理,我们构造了一个矩形双层的隐身衣。该隐身衣是由一个高透的电磁超表面和一块由具有狄拉克锥形色散的电介质光子晶体实现的近零折射率材料构成的。全波数值模拟和微波实验结果都验证了我们提出的隐身衣具有隐身效应。这个隐身原理揭示了在透射空间实现超薄电磁隐身衣[],同时避免使用在空间变化的极端参数是可能的。我们的这一隐身衣工作为集成电磁超材料和电磁超表面的奇异光学器件、奇异电磁器件开辟了新的道路。二、基于电磁超表面和减反膜的透射式电磁波隐身方法在上一章中,我们通过结合透射式电磁超表面的波前调控功能与近零折射率材料中的波隧穿效应设计实现一种能在透射空间实现隐身的隐身衣。在这一章中,我们提出了另一种基于“电磁超表面-减反膜-电磁超表面”结构的透射式电磁隐身衣。该隐身衣的设计原理适用于任意形状的电介质。在隐身衣的作用下入射电磁波径直穿过隐身衣和被隐身物体,并在出射端保持入射的电磁波波前。除了使用传统的电介质减反膜,我们还通过引入了超薄增益-吸收减反膜构造了满足宇称时间对称性的隐身衣并且观察到了任意形状的完美单向隐身的效果。这种方法未来可能可以克服近零折射率所带来的频率限制,实现宽频的、宏观的透射式超薄隐身衣。三、梯度减反超表面的概念、性质及其在透射式电磁波隐身中的应用电磁超表面是一种二维的电磁超材料,由亚波长的人工谐振单元构成。电磁超表面展现出了强大的操控电磁波的能力。反射式的高效电磁超表面可以通过引入镜面背景来设计实现,而透射式的高效电磁超表面可以通过使用高透射的结构单元来设计实现。然而,透射式的高效电磁超表面通常都被设计工作在均匀的背景材料,如空气中。在这一章中我们提出了一个新的概念:梯度减反电磁超表面。梯度减反电磁超表面具有在两种介质界面上消除反射波并且操控透射电磁波的功能。为了验证这一概念,我们设计了一种能在界面上同时消除界面上折反射效应的梯度减反电磁超表面并通过数值仿真和微波实验进行验证。此外,利用这种梯度减反电磁超表面,可以设计超薄电介质隐身衣。梯度减反电磁超表面可以设计成多种工作在两种电介质界面上的高效器件,实现波前剪裁、光束转换、极化转换等等效应。梯度减反电磁超表面在光学、全息、光电、微波治疗等领域可能有广泛的应用前景。四、一维渐变线结构一空间波与导波之间的新型耦合方式微波实验和光学实验都已证明电磁超表面可以通过引入梯度相位突变实现将传播波转换成沿超表面传播的表面波。电磁超表面由于具有准二维的平板状结构通常被用来设计操控平面波。然而在一些特定的情形中,往往需要具有更低维度的小型化器件。在这一章中,我们提出了一种设计渐变线结构的方法,可以实现将传播波转换成沿线结构传播的导波。我们证明了通过改变线结构的几何尺寸或者电磁参数都可以实现这种波转换功能。此外,我们还分别设计了反射式和透射式的传播波-导波耦合器,可以分别通过操控反射波和透射波将入射传播波转换成沿线状波导(如金属线和光纤)传播的导波。这里提出的波转换原理和设计的耦合器在等离子体、微纳光学、硅光子学和光学通信等领域可能有广泛的应用前景。