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异向介质是一类由亚波长单元结构有序或无序排列构成的人工复合材料,通过设计它的单元结构和排列方式可以获得自然界材料所不具备的特殊电磁响应,例如负折射。在过去二十年,随着变换光学理论和广义斯涅耳定律的提出,异向介质得到迅猛发展,这不仅为传统微波和光学器件的性能改进提供了新方法,也簇生了一系列新颖的电磁功能器件。本论文围绕电磁散射,依次开展了抑制散射—隐身衣、增强散射—超散射、智能散射—光计算的理论、仿真、实验研究。针对它们存在的瞬态响应机理不清晰、频带窄、结构复杂、材料制备困难、工作模式固定等关键科学问题和应用难点,开展了基于异向介质和深度学习的散射调控研究,取得了智能隐身、多频超散射和多功能光学逻辑计算等一系列成果,推进了新型异向介质器件的科学研究和实用化进程。本论文的具体研究工作如下:1.智能电磁隐身和超散射的方法研究。针对传统频域方法难以解决隐身衣和超散射的瞬态入射、宽频和色散等问题,建立了各向异性色散时域有限差分算法,揭示了隐身衣和超散射的瞬态响应机理。进一步,总结和归纳了本论文所用到的解析、数值和实验方法,并对各个方法的优缺点和适应情况进行讨论。具体地,解析方法包括变换光学方法、散射场重构方法和经典散射理论;数值方法为作者建立的各向异性色散时域有限差分算法;实验方法包括等效电路方法和智能设计方法。该部分内容为后续研究奠定了理论和实验基础。2.基于深度学习的智能隐身。针对传统隐身衣电磁参数苛刻、频带窄、工作模式固定等问题,首次提出了基于深度学习的智能隐身概念,在不需要任何人为操控的情况下,快速地适应变化的背景环境和外部刺激,实现类变色龙式隐身。在时域有限差分仿真和微波实验中,自主搭建了一套完整的“感知-反应-隐身”的智能隐身系统,详尽展示了智能隐身的工作原理和毫秒级动态隐身效果,充分验证了它的实时性、智能性和鲁棒性。3.基于异向介质的多频超散射。针对传统超散射器工作频率单一、结构复杂、损耗大、难以实验观测等问题,开展了两方面工作。第一,首次提出了利用双曲异向介质构造多频超散射的方法,建立了双曲异向介质的平板波导色散模型和柱体散射模型,论述了它的高效性和物理机制。第二,首次提出了利用共形超表面构造人工表面等离激元超散射的方法,结合经典散射理论和模拟退火算法,设计了能够工作在多频率的低损耗亚波长超散射器,并首次在微波实验中观测了超散射现象。4.基于智能散射的光学逻辑计算。针对传统光学逻辑计算需要引入体积庞大而复杂的光控制系统,不利于器件的小型化、集成化发展和计算结果稳定性等问题,率先提出了基于智能散射的光学逻辑计算方法。先从理论上证明了该方法的可行性和完备性,再利用高效介质超表面在数值仿真和微波实验中实现了多功能光学逻辑计算,最后论述了该方法的普适性、可拓展性、级联性和片上集成性。