固体材料的性质通常由组成物质的分子或原子本身的性质及其之间的关联所决定的。传统的材料科学通过改变材料的化学组分，合成路径等手段，获得了力学性质，电磁学性质或者热力学性质优异的新型材料。超构材料的出现提供了一种全新的设计和调控控制材料性质的方法。超构材料(metamaterial)由尺度远小于波长的人工微结构组成。这些人工微结构相当于材料中的“原子”和“分子”。通过设计人工微结构的形状，我们可以直接控制材料中原子或者分子对电磁波的响应，从而得到具有特殊光学性质的人工材料，比如负折射材料。利用这些人工材料可以获得更大的自由度来控制电磁波的传播，从而实现诸如光学隐身(cloaking)，超透镜(superlens)等自然材料无法实现的光学现象。在纳米尺度上，现代微加工技术，比如聚焦离子束刻蚀，电子束曝光等，多为二维加工方法，因此研究二维微结构阵列具有重要的实用意义。另一方面，二维金属微结构阵列厚度远小于波长，因此可以在有限的空间内与光强烈的相互作用。本论文从理论和实验两方面研究了利用二维金属微结构阵列控制光的偏振态，振幅，相位和传播方向的方法。　　当入射光照射在金属微结构表面时，入射光的电磁场可以激发金属微结构表面的电流振荡。通过将微结构表面的电流等效为一个电路，并且利用电路里的电容，电阻和电感等参数来描述微结构的光学性质，称之为等效电路方法。利用等效电路方法的理论研究的成果，我们从实验上设计和制备了多种用于调控光的偏振态，吸收率以及传播方向的光学器件，取得了如下几个方面的研究成果:　　1.首次利用单层L形微结构的两个金属棒上的电流的时间延迟，同时控制了透射光的相位差和振幅比。在设计的波段内，透射光两个方向分量的振幅比值不变，并且通过调节入射光的频率，可以线性的调节透射光两个方向分量的相位差。这项研究工作的创新性在于提供了一种新的控制偏振态的方法，利用了微结构不同位置电流的相位差直接控制了透射波的偏振态。　　2.由于超构材料利用金属微结构表面的电流共振来控制电磁波的传播，而金属微结构的表面电流在共振频率附近随频率显著变化。因此超构材料的带宽通常很窄。在金属微结构-介质层-金属反射面系统中，由于存在金属反射面，反射光的光学性质不仅与金属结构性质有关，也与金属结构与其镜像的距离（两倍介质层厚度）有关。本项研究首次提出，通过控制介质层厚度，可以控制反射光的光学性质随频率的变化，从而实现没有色散的超构材料光学器件。利用这个方法，本项研究从实验上制备了宽带四分之一波片和半波片，从而在远小于波长的尺度内有效的控制了电磁波的偏振态。　　3.理想的光吸收器也是超构材料的一个重要的研究方向。本论文利用等效电路方法研究了利用金属微结构-介质层-金属反射面结构制备理想光吸收器的原理，并且设计了三维鱼叉结构来优化传统光吸收器的功能，实现了具有优良导电性和导热性的理想的光吸收器。　　4.通过微结构阵列可以在界面上形成反射光或者透射光的相位梯度，进而控制光的传播方向。对于利用微结构旋转组成的超构表面，我们首次证明了构成单元的偏振转换率决定了异常反射光的强度。利用宽带高偏振转换率的结构单元，实验上我们在1100 nm到1700 nm的波段内得到了强度高于0.7的异常反射光。这种超构表面非常适合控制圆偏振光的传输，可以将线偏振光转化为两束手性不同的圆偏振光，或者将手性不同的圆偏振光反射到不同的角度。