许多生物分子自身的转动、 振动或分子团的整体振动模式都位于太赫兹波段内, 因此可以利用太赫兹光谱技术对生物分子进行检测。 同时又由于太赫兹波的光子能量仅为毫电子伏量级, 不会对分子的内部结构造成破坏, 所以太赫兹时域光谱技术在生物检测方面具有良好的应用前景。 众所周知, 绝大多数的生物分子只有在液体条件下才能发挥其生物活性, 所以研究液体环境下生物分子之间的相互作用就非常必要。 然而水分子的转动模式、 振动模式以及和氢键有关的能量均处于太赫兹波段, 从而对其产生强烈的吸收; 另外, 水分子为极性分子, 而极性分子对太赫兹波有强烈的共振吸收, 这就使利用太赫兹技术对生物分子活性进行动态表征产生了困难。 因此在研究溶液中的生物分子与太赫兹波的相互作用时, 最大限度地减小水分子对太赫兹波的吸收就成为近年来的研究热点。 目前, 减少水对太赫兹波吸收的主要方法有: 在溶液样品中加入抑制氢键缔合的离子来减小水对太赫兹的吸收; 通过改变溶液的温度来调节水对太赫兹的吸收; 利用微流控芯片技术, 通过减小被测样品与太赫兹波的作用距离来减小水对太赫兹波的吸收。 另外, 激光的激励、 电场或磁场的处理, 也能改变水对太赫兹波的吸收, 将盛有去离子水的微流控芯片放于电场中, 研究经电场处理不同时间的去离子水对太赫兹吸收强度的影响。 结果发现, 太赫兹波的透射强度随着去离子水在电场当中静置时间的增加而增强, 当在电场中静置60 min时, 太赫兹的频谱强度达到最大, 与空气的频谱强度接近。 由此可以推断外加电场使水分子的偶极矩发生了变化, 从而对整体水分子的振动和转动产生了影响, 并且改变了水中的氢键结构, 导致了太赫兹透射光谱强度的增强。

太赫兹片上系统是将太赫兹的产生、传输和探测都集中在一个几平方厘米的基片上,线宽及间距达到微米量级, 具有集成化程度高、系统尺寸小、稳定性好以及操作简便的特点, 有利于与微量样品检测技术相互结合。研究采用HFSS软件对共面波导和共面带状线两种太赫兹共面传输线进行了仿真计算, 通过优化传输线的宽度、长度、基底的厚度等关键几何参数确定出最佳的传输线结构;研究工作重点对太赫兹波段的共面带状线结构进行了设计和优化, 实现了在介电常数很小的BCB基底上的低损耗传输。所得到的最佳结构参数为线宽及间距均为20μm, 此结构为后续片上系统实物芯片的制作提供了参数依据。

太赫兹调制器、滤波器、吸收器是太赫兹波应用领域的关键器件, 而金属开口谐振环是这些器件的常用结构。通过仿真及实验的手段, 系统地比较了不同亚波长金属开口谐振环结构的太赫兹波吸收特性。设计并制备两种不同形式的亚波长金属谐振环, 利用时域有限差分(FDTD)的模拟方法与光泵浦太赫兹探测(OPTP)的实验方法, 分析了电磁波入射谐振环时,TM与TE模式下的太赫兹透射特性。发现在TM模式下, 吸收峰峰值均反比于谐振环的等效电容值与等效电感值。而在TE模式下, 由于偶极子振荡长度相同导致了两种谐振环吸收峰峰值相近。此外, 改变外部光激励条件时实验结果表明TM模式下, 单开口环比双开口环对光激励更敏感: 泵浦光功率为5 mW相比无泵浦光时, 单开口环透射率增加了80%, 而双开口环透射率仅增加了43%。

太赫兹片上系统是近年来太赫兹研究的热点, 是太赫兹系统集成的关键技术。太赫兹微带线(MSL)是太赫兹片上系统的关键, 微带线设计的合理性, 直接影响着太赫兹片上系统的灵敏度和准确度, 为了更好地制作片上系统, 以理论模型为参照, 利用HFSS(High Frequency Structure Simulator)软件对太赫兹传输线及带阻滤波结构进行了系统的仿真研究。首先研究了微带线结构、微带带阻滤波结构的传输特性, 并从应用的角度首次将样品引入仿真模型, 研究了以GaAs为例的介电样品对微带滤波结构的滤波特性的影响。设计了358 GHz的微带滤波器结构, 并通过改变放置在其上的GaAs样品参数, 发现样品对微带滤波结构的中心滤波频率有明显影响。为太赫兹微带线的设计制作提供了精确的理论数据。