纳米尺度上的超快动力学研究对现代纳米技术的应用具有重要的指导意义。太赫兹辐射在电磁波谱中独特的位置使其被广泛应用于各种物性的研究。然而衍射极限的存在限制了太赫兹辐射在纳米和亚纳米尺度上的应用。为了应对这一挑战，太赫兹扫描隧道显微镜（THz-STM）应运而生。通过原子级针尖来增强并束缚住太赫兹辐射，将太赫兹成像的空间分辨率提升了多达6个数量级。为了进一步推动国内THz-STM相关研究的发展，重点介绍了THz-STM的发展历程、基本原理、系统构成以及潜在应用，包括在半导体和单分子中的超快动力学研究，并对该领域的下一步发展进行了展望。

太赫兹窄带滤波器是太赫兹波段无线通信、高分辨光谱分析和被动式安检成像等技术设备中不可或缺的功能器件,而介质光栅中的导模谐振(GMR)效应是实现高品质因数太赫兹窄带滤波器的重要方法。目前,常使用严格耦合波分析法(RCWA)描述光栅的辐射特性并结合粒子群算法(PSO)优化结构参数来设计导模谐振滤波器(GMRF)。然而,该方法的建模过程复杂并且不能设计广义的超材料光栅。本文提出一种新的自动化设计方法,使用电磁仿真软件CST和PSO相结合设计导模谐振滤波器,采用含有惩罚项的目标函数对滤波器参数进行优化。运用该设计方法分别设计了中心频率位于0.65 THz的一维矩形光栅带阻滤波器和中心频率位于0.6 THz的二维偏振无关的超材料导模谐振滤波器,并通过光刻和反应离子刻蚀加工所设计的高阻硅光栅,分别测量了光栅在TE偏振态下的正入射光谱和入射角为4°、8°的斜入射光谱,谐振的分布和变化规律与仿真结果一致,验证了设计方案的有效性。该研究为太赫兹波段导模谐振器件的研究提供了新的设计方法,并由此推动太赫兹无线通信、光谱分析和被动成像的发展。

发展高性能的光电导天线是推动太赫兹科学及其相关技术不断进步的重要手段。系统地介绍了基于金属和介质超材料的高效光电导天线的研究工作,梳理了此类天线的发展历程并展望了其应用前景。关于超材料天线的研究主要是基于两类方法展开的,第一类是利用纳米级金属/介质超材料操控飞秒泵浦激光与光电导天线衬底间的相互作用,第二类方法则是在原有天线结构的基础上设计微米级金属/介质超材料对太赫兹波进行直接操控。这些基于超材料的新方法极大地促进了光电导天线的发展及其在交叉领域的应用。

随着人工超材料对电磁诱导透明(EIT)现象的成功模拟, 超材料明暗模间的耦合机制引起了广泛关注。回顾了近年来在太赫兹(THz)波段基于人工超材料的明暗模耦合效应的相关研究进展, 包括平面结构EIT效应, 立体结构EIT效应, 明暗模垂直耦合电磁诱导吸收(EIA)效应, 以及表面波非对称激发。组成超材料的单元结构内部的模式耦合机制对超材料的远场近场响应具有决定性的作用, 其不同的耦合机制在光开关、慢光器件、光传感器、片上系统等的设计方面有重大的潜在应用价值。

利用太赫兹时域光谱系统, 在0.5～9.5 THz范围内对氧化镁单晶基片的介电特性进行了研究, 并获得折射率、吸收系数以及复介电函数信息。实验数据表明, 在低频(< 2 THz)范围内, 氧化镁单晶透过性较好, 折射率在3.12～3.15之间。折射率和吸收系数均随频率增加而增大, 且在3.16 THz和8.11 THz两处存在明显的吸收峰。通过经典的赝简谐振动理论很好地拟合了实验结果, 分析了晶体中的横向光学声子振动模式, 为氧化镁单晶在宽带太赫兹波段的应用提供了有益参考。

自制的太赫兹量子级联激光器性能良好且易于集成和实际应用。利用该激光器出射的太赫兹波对非金属物质的穿透性，在该激光器中配以辅助光路与阵列接收模块，设计出具有一定空间尺度和分辨率的透射式成像系统，对该成像系统中的光束整形关键参数选择因素进行了分析。将此成像系统与基于光电导天线对收发的全光纤太赫兹时域光谱系统相结合，实现了联动式太赫兹分析仪的设计。此联动式太赫兹分析仪可对非金属包装中的隐匿物品进行太赫兹波段成像与指纹谱的联动获取，整机操作软件能在后台控制与监控内部各设备，实现了对危险品的快速、直观、准确的定位以及对物品种类的无损分析。

设计了基于介质高阻硅的超材料用于对太赫兹波的透射振幅和相位进行控制。这里组成超材料的基本结构单元为亚波长柱状硅, 相比于基于金属的超材料, 其损耗小, 效率也更高。太赫兹入射到不同尺寸和旋向的柱状硅时, 所透射的太赫兹波的振幅和相位也不同。通过设计不同空间位置处的柱状硅尺寸和旋向, 就可以实现任意的振幅和相位分布, 从而对透射波波前进行完全的控制。实验中, 利用这种硅质微结构设计了三种不同的奇异光栅, 其衍射级次和数目可任意控制。这种基于介质超材料的方法, 设计简单, 加工方便, 在制作太赫兹波段低损耗的功能器件方面有着广泛的应用前景。

Conventional analytical methods in the wavelet domain are used to present an analysis of terahertz (THz) waveguide modes. To obtain THz radiation pulses passing through a waveguide, we build a simple experimental system with a 5-mm-long, 230-\mum-inner-diameter stainless steel waveguide. The single-mode guided signal from the experiments and the multi-mode signal of a similar THz waveguide reported in the literature are analyzed using the continuous wavelet transform (CWT). The results demonstrate that analyzing THz waveguide modes in the wavelet domain not only possesses all the functionality of the traditional THz time-domain spectroscopy (TDS) data processing but also has the ability to unscramble quantitatively and intuitively detailed information about the target samples, such as mode type, cut-off frequency, amplitude distinction, and group velocity.