Metamaterial是20世纪末兴起的一种新型的人工结构性材料。其所具有的特异性结构赋予了该类型材料超乎寻常的物理性质,主要表现在其能对诸如电磁波、声波等能量场的完美操控;相对于常规介质材料,该类型材料的另一个优势在于其具有亚波长尺寸的结构周期。因此,超材料的出现为结构微型化、功能超常化的器件制作提供了一个可行的途径。本文首先根据电磁超材料器件的典型设计理论-坐标变换理论,设计了一种近红外光学微结构耦合器,并详细论述了耦合器耦合特性和工作波长、组成耦合器基本单元的电磁参数、基本单元的数量以及耦合器尺寸之间的关系。理论结果表明,通过选定合适的耦合器基本单元,能够实现耦合器效率高达100%全透射;而且,可以通过调节耦合器尺寸,使其满足不同频带的完美透射的需求。其次,从理论方面入手,设计了一种声学超材料聚焦透镜。通过分析组成该聚焦透镜的相位控制单元的声场传输特性,选择透射率高、相位控制精准的结构单元组成声聚焦透镜。仿真结果表明,在相控单元厚度及间距均实现了亚波长尺寸的前提下,上述声聚焦透镜在设计工作频率4167Hz处成功实现了3.29dB增益效果。这对于减小传统声聚焦器件的尺寸,设计出能满足要求的声聚焦透镜具有一定的指导意义。最后,基于等效介质理论,设计了一种声学单向负折射棱镜,并从实验上对其效果进行验证。实验数据表明:在10KHz-20KHz的频率范围内,上述结构均能实现声能流的单向负折射传输。上述设计改善了现有单向传输器件工作频带较窄的特性,在医学超声等需要声能流进行特殊控制的领域具有潜在的应用价值。