波是自然界的基本運動方式，自從麥克斯韋電磁理論提出，人類對於波動的認識發展到了新的高度。當今的信息社會，電磁波、光波、聲波已經成為信息傳輸的基本方式。隨著網絡信息和智慧社會迅猛發展，波的調控愈顯突出。 超材料（metamaterials）是一種人工結構的材料，通過設計不結構，使其對外加電磁場產生相應的響應，原理上可以得到任意大小的介電常數和磁導率。介電常數和磁導率同時為負的超材料，以及基於超材料設計思想的隱身鬥篷和超分辨透鏡的研究成果分別在2003年、2006年和2016年被美國Science雜志評為年度十大科技突破之一。超材料的設計思想突破了人們對傳統材料的固有認識，展現出許多奇異的電磁行為，如反常多普勒效應、反常Goos-H?nchen位移、反常切倫科夫輻射、負折射效應、透鏡效應、吸收、隱身鬥篷等。為了避開三維超材料制備與實現上的困難，201pan>年，美國哈佛大學的研究小組提出超表面（metasurfaces）概念，由於超表面具有低剖面、低損耗等優點，並且可以產生更為特殊的界面光學行為，其自提出後就成為科學界的又一研究熱點。目前，超材料和超表面的研究也從電磁學和光學領域發展到聲學、熱學等領域，成為當前物理學、材料科學與電磁學等研究領域中的前沿與熱點問題。 光學和聲學超材料與超表面中波的行為，在信息傳輸，網絡、光和聲的調控等領域都有許多潛在應用，在國內外得到廣泛研究。本書基於作者及課題組自2000年以來在國內外雜志、刊物發表的200多篇研究論文和授權或公開的80多項國家發明專利，繫結了我們組在光學和聲學超材料與超表面領域的研究結果，主括光學和聲學超材料與超表面制備及行為等內容，全書分為兩篇，共15章。上篇自下向上制備光學超材料與超表括7章，第pan>章光學超材料與超表面概述，介紹光學超材料與超表面設計基本概念，敘述光學超材料、超表面新物理特性括負折射效應、成像超稜鏡與光學隱身鬥篷、光束偏轉器與超透鏡、光學偏振控制器；光學超材料制備的“自上而下”刻蝕技術和“自下而上”電化學方法，光學超表面的損耗與展望。第2章樹枝結構紅外和可見光超材料，提出雙模板法制備樹枝結構超材料，介紹了制備流程、影響因素和性能測試。對紅外銀樹枝結構給出電極間距、聚乙二醇、佳反應條件和結構陣列的影響與紅外透射板聚焦測試；可見光銀樹枝結構給出陣列形貌、可見光測試、三原板聚焦測試。另外，用電沉積法制備紅外銅樹枝負磁導率材料，給出單個銅樹枝狀結構，分形維數對磁諧振頻率的影響，銅樹枝狀結構間相互作用及模型的數值。基於點電極板電極電沉積法制備銀樹枝超材料，研究了紅外和可見光樹枝結構超材料、楔形光波導空間光譜分離現像和柔性基底樹枝超材料。第3章準周期漁網結構超材料，首先介紹理論模型和，分析了非對稱引起的損耗和摻雜增益介質降低損耗。制備了金屬銀雙漁網與銀網格結構，研究了電解液、固化時間及不同結構周期金屬銀網格優選條件，RhB對銀網格透射譜的影響；制作了超材料吸收器，針對銀網格吸收器、折射率傳感器、雙漁網結構多頻吸收器模型、樹枝超材料吸收器作了仔細分析。第4章納米顆粒組裝超材料，研究了銀樹枝狀顆粒單層組裝超材料（聚酰胺-胺（PAMAM）保護劑制備樹枝狀銀納米粒子），銀樹枝顆粒多層組裝三維超材料，樹枝狀金納米顆粒組裝超材料，花朵形銀納米顆粒超材料，樹枝狀PAMAM與銀納米顆粒復合物超材料括PAMAM基納米銀薄膜微觀結構與光自旋霍爾效應），片狀銀納米粒子多孔狀銀微米粒子。第5章拓撲結構超材料，提出超簇結構仿生設計模型，給出紅光與綠光波段空氣介質和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）介質結果；研究了球刺狀超材料性質括球刺狀AgCl/TiO2微納米顆粒，球刺狀顆粒表面改性，球刺狀AgCI/TiO2@PMMA復合顆粒，Ag/AgCl/TiO2@PMMA顆粒制備和表征，光還原過程對球刺狀Ag/AgCI/TiO2@PMMA的影響；測試了球刺狀超材料光學性能括楔形樣品負折射、Goos-H?nchen位移、捕獲彩虹效應及反常多普勒效應。第6章樹枝結構超表面，介紹了樹枝超表面制備括單層銀樹枝超表面電化學沉積、聚乙烯醇（PVA）防氧化層塗覆、表面形貌及雙層銀樹枝超表面介質層選擇與制備、PVA防護層，雙層銀樹枝結構表征；研究了紅外波段與可見光波段超表面性質，綠光、紅光、黃光頻段聚焦，可見光波段超表面操控微分運算，微分性質計算與實驗測試，積分行為。第7章超表面反常光學行為，測試了樹枝超表面反常Goos-H?nchen位移，樹枝超表面彩虹捕獲效應，給出了超表面楔形波導參數、彩虹捕獲實驗設置和實驗圖像及分析楔形波導出率分布；針對超表面偏振轉換，給出了樹簇模擬結果，由超表面偏振轉換實驗，獲得實驗結果與偏振轉換效率和反射模式超表面偏振轉換；設計與制備了準周期樹枝簇集超表面，實驗得到超表面反常光自旋霍爾效應。下篇超原子和超分子構築聲學超材料與超表括8章，第8章聲學超材料與超表面概述，首先介紹了聲學超材料，負參數聲學超材料括負質量密度、負彈性模量、雙負聲學超材料）；聲學超材料的新物理特性介紹了負折射及聚焦、逝波放大及亞波長成像、聲吸收、反常多普勒效應、變換聲學及隱身鬥篷、聲反常透射和聲波準直器件、聲學超材料其他應用；聲學超表面概述，反常反射、透射現像板超稜鏡及其他應。第9章聲學超原子模型括負彈性模量超原子（一維、二維負彈性模量聲學超材料模型設計與樣品制備，基的分析，實驗測試與結果討論），負質量密度超原子模型、超材料，雙負超原子復合超材料。第10章超分子聲學超材料，內容有超分子模型，低頻超分子雙負聲學超材料的實驗測試、等效模量計算板聚焦效應、亞波長超分辨成像效應，高頻超分子雙負聲學超材料樣品制備、實驗測試及結果分析、等效參數、負折射實驗板聚焦效應和反常多普勒效應。第1pan>章超原子簇與超分子簇聲學超材料，內容有：負彈性模量超原子簇超材料，研究了開口空心球超材料性質，單孔、雙孔開孔位置和孔個數對透射行為的影響，不同開口孔徑、空心球直徑、晶格常數、單層樣品不同球數目及不同層數的聲學超材料，多頻與寬頻負彈性模量超材料，多層結構的多頻超材料，對開口空心球寬頻超材料；負質量密度超原子簇超材料，研究了單頻、寬頻聲學超材料，寬頻負等效質量密度、負折射率、反常多普勒效應；超分子簇雙負聲學超材料，研究了基於不同管長、不同側孔口徑的寬頻超材料，兩種調制方式組合的寬頻效應；超分子簇集寬頻超材料的負折射實驗驗證及反常多普勒效應。第12章管樂器的反常多普勒效應，介紹了豎笛反常多普勒效應與負折射特性括多普勒效應理論、豎笛實驗裝置及測試、結果與討論；橫笛反常多普勒效應與負折射特性；單簧管反常多普勒效應與負折射特性；其他管樂器的行為。第13章水介質中超聲超材料，內容有：負質量密度水聲超材料模型分析與證明，樣品制備與測試，透射、反射結果分析；聲學超材料等效參數分析、雙負水聲超材料模型設計與理論分析、樣品制備與實驗裝置，開口空心管（PHT）結構聲學超材料透射、反射性質，開孔空心管聲學超材料等效參數計算板聚焦效應。第14章聲學超表面括基於超原子結構的聲學超界面（聲學超表面基本理論，開口空心球、雙開口空心球、對開口空心球聲學超表面）；超分子結構聲學超表面（開口空心管聲學超表面、超分子結構寬頻聲學超表面）。第15章拓撲聲學超材料括超原子聲學拓撲超材料（空心管聲學拓撲絕緣體、空心管聲學谷拓撲絕緣體、開口環（球）聲學谷拓撲絕緣體）；超分子聲學拓撲超材料（可重構拓撲相變聲學超材料、超分子谷拓撲絕緣體）；多頻聲學谷霍爾拓撲絕緣體。作者及課題組在微波超材料與超表面的相關研究已經在另一本書《微波超材料與超表面中波的行為》專門論述。 研究工作期間，作者先後承擔國家傑出青年科學（50025207）、國家自然科學項目（50632030,50936002）、973計劃課題（2004CB719805,2012CB921503）、國家自然科學（50872113,11174234,11204241,51272215,11674267）等項目，使得研究過程持行。 作者感謝院士、南開大學陳省身數學葛墨林先生，中國工程院院士、西北工業大學航海學院馬遠良先生，南京大學陳延峰教授，清華大學周濟院士，東南大學崔鐵軍院士，武漢大學劉正猷教授，西安交通大學徐卓教授，復旦大學周磊教授，以及國內許多同行長期以來的關心和幫助；感謝我的合作者西北工業大學羅春榮教授和我的學生丁昌林副教授，提供部分章節主要內容的丁昌林博士（第pan>，8，9，14章）、劉輝博士和劉寶琦博士（第2章）、龔伯儀博士（第3章）、趙煒博士（第4章）、陳歡博士（第5，6章）、方振華博士（第6，7章）、陳懷軍博士（第9，13章）、翟世龍博士（第10，1pan>，12章）、董儀寶博博博士（第14，15章）等20多位博士及60多位碩士和80多位學士，編寫附錄收輯了所有參加相關研究工作的同學所文和專利目錄，表示對大家的感謝；感謝科學出版社劉鳳娟編輯的辛勞，是所有朋友多年的心血使本書得以付梓。
| 
