为提高太赫兹光电导天线输出效率，提出了一种基于层级人工等离激元结构的光电导天线的设计方法。层级人工等离激元结构由纳米尺度金属块阵列和微米尺度周期栅格结合而成，理论与仿真结果表明，前者通过人工局域表面等离激元谐振效应可提高光子-电子转换效率，后者则利用人工表面等离激元结构基模的禁带和高阶模式与电流源模式之间的正交性增强了光电导天线的垂直方向性。集成了层级人工等离激元结构的光电导天线结合了两种结构的优点，数值计算结果表明，其输出效率优于分别采用两种结构的方案。相较于未改进的光电导天线，层级人工等离激元结构在较宽频带范围内（0.86~1.51 THz）实现了光电导天线垂直方向辐射功率密度的提高。

太赫兹特征波谱技术作为一种太赫兹波段的相干测量技术，具有高灵敏、快速、无损检测等显著特点，可以有效获得来源于物质分子的低频集体振动、转动模式以及与周围分子的弱相互作用（氢键、范德华力等）而产生的特征“指纹谱”信息，已在生化分子检测、材料分析与辨识等方面展现出非常广阔的应用前景。太赫兹光电导天线作为一类应用广泛的太赫兹波源，能够产生宽频带的太赫兹辐射，由其构成的超快太赫兹特征波谱系统在生化分子和材料分析等方面已显现重要应用。本文首先介绍了基于超短脉冲激光的太赫兹光电导天线的工作原理及其发展现状，包括理论模型、衬底材料以及不同结构形式。随后，介绍了由太赫兹光电导天线作为宽频带太赫兹波源而构建的超快太赫兹特征波谱系统及其工作机理，详细阐述了基于飞秒激光的超快太赫兹特征波谱技术及其应用取得的一些最新研究进展，并分析讨论了该技术在实际应用过程中面临的挑战和应对策略。