硅基光电子与CMOS工艺兼容，借助成熟的微电子加工工艺平台可以实现大规模批量生产，具有低成本、高集成度、高可靠性的优势。其中，硅基半导体探测器是目前应用最为广泛的可见光波段探测设备，将其工作频段拓展到近红外波段具有重要意义。由于硅的禁带宽度，硅基材料在近红外波段电磁波吸收存在明显限制，硅基探测器在近红外波段的应用受到挑战。根据纳米金属粒子发生局域表面等离子共振时产生的近场增强效应，提出了一种纳米金属粒子梯度掺杂的硅基结构。通过应用等效介质理论，模拟了复合硅基结构在可见光与近红外波段的吸收特性。结果表明：该结构在近红外波段具有电磁波吸收提升效果，并且当选择纳米金粒子梯度递增掺杂时，可以在610~1450 nm波段提升吸收性能，最高提升可达到10.7 dB。所提出的结构可以有效增强硅基材料在近红外波段的吸收效率，研究结果为硅基半导体探测器在近红外波段的应用提供了重要参考。

设计出一种工作在可见光波段宽入射角度范围具有高消光比的金属偏振分束光栅。采用等效介质理论对金属偏振分束光栅原理进行定性分析，利用严格耦合波理论和时域有限差分法对金属Al光栅进行数值仿真并详细分析了结构参数中周期、高度以及光波长和入射角度等参数对偏振特性的影响。结果表明：当Al光栅占空比为0.5，周期为0.15 μm，光栅脊高度为0.15 μm时，在0.4~0.7 μm波段和45°±10°入射角范围内，该金属偏振光栅对TM波高透射，对TE波高反射，光栅透射消光比平均35 dB，反射消光比平均12 dB，最后对制作的金属偏振光栅进行消光比测量，验证了设计结果的正确性。该研究结果对设计和制备高衍射效率、高消光比、宽波段宽入射角度范围的偏振分束器具有较好的实践指导价值。

操控材料的等频率线可以有效的调控光与物质的相互作用。近年来，基于双曲超构材料的研究表明，等频率线从封闭圆形到开放双曲线的拓扑相变对光的传输和辐射特性有着显著的影响。本文主要综述了一类存在于双曲拓扑转变中的新型各向异性超构材料，其等频率线对应为两条相交的直线，因而被称为线性交叉超构材料。一方面，由于具有开放的等频率面，线性交叉超构材料类似于双曲超构材料，可以支持大波矢模式。另一方面，线性交叉超构材料类似于零折射率超构材料，线性的色散关系使得线性交叉超构材料中传播的电磁波的群速度方向与相速度方向垂直，这将导致电磁波沿着传播路径的零相位累积。本文系统性介绍了线性交叉超构材料的实现、物理特性以及相关重要应用，并在最后对线性交叉超构材料的发展进行了展望。

近零等效介电常数超材料以其近乎等于零的等效介电常数所赋予的电磁特性使其在理论研究和工程应用中均有可观的价值，是电磁超材料领域研究热点之一。本文系统总结了为了解决现有近零介电常数超材料工作频率单一的不足，以等效介质理论的Bergman-Milton谱表述理论为基础，结合超材料典型微观结构等效介电常数谱表述的特点，建立宽频近零介电常数超材料的谱表述理论，并以此为基础设计具有宽频近零介电常数超材料的研究成果。理论上，对超材料的材料特性和微观结构特性抽象化，实现了对具备超晶格构型的宽频近零介电常数超材料的快速建构，解释了宽频近零介电常数的物理原理，并获得了数值模拟的验证。同时，在应用方面，根据宽频近零介电常数超材料的物理特性，突出展示了所设计的宽频近零介电常数超材料在宽频电磁隧穿与聚焦、宽频电磁波定向发射、宽频电磁波波前调制等方面的应用。