太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）是检测物质组成和变化的先进科学装置，可以准确定位和分析物质的微小变化，对物理学、化学、生物学等多个学科的发展产生了深远影响。光纤式THz-TDS在光路传播时具有能量传输损失少、结构紧凑等优点。在光纤式THz-TDS的基础上，将双透镜和旋转延迟线结合，通过研究分析耦合效率理论和双透镜传输特性，利用光学软件ZEMAX设计了一款双透镜准直耦合收发一体共光路系统。为了得到更高的单模光纤耦合效率，研究分析了激光与光纤的耦合原理及耦合误差，并且绘制了耦合失配时的效率曲线。研究结果表明：高斯传播单模光纤的耦合效率达到了76.27%，可以满足稳定辐射太赫兹信号的要求，同时，光纤耦合效率的提高对于增大THz-TDS的太赫兹脉冲信号带宽具有一定帮助。

光学延迟线是影响太赫兹时域光谱系统中太赫兹信号准确性、信噪比以及频谱分辨率的关键环节。本文设计了一种由24个转盘反射面（TRS）构成的快速旋转光学延迟线（FRODL）。通过对FRODL工作角度的仿真，得到了其理论延迟时间和理论非线性度。基于FRODL实际耦合过程中耦合功率的波动性大小，确定了FRODL的实际工作区间，并搭建了偏振迈克耳孙干涉系统，对FRODL结构的实际延迟时间进行标定，得到了各转盘反射面工作的实际延迟时间。标定结果显示，FRODL校准前的最大非线性误差为0.094 ps，非线性度为0.215%。通过两次利用三次样条插值，对FRODL实际延迟时间和采样点信号进行匹配，获得了校准后的太赫兹等间隔时域波形。

利用衰减全反射式太赫兹时域光谱技术研究了固态 α-乳糖的光谱特性, 首先实验以传统透射式光谱技术为基准, 获得了 0.53 THz,1.36 THz 2个较强的吸收峰; 其次, 取剂量分别为1.8 mg+2.56 mg与 1.8 mg的 α-乳糖, 利用衰减全反射式太赫兹时域光谱系统获得吸收谱线, 在 0.53 THz,1.36 THz均有较强吸收峰, 增加样品剂量对 0.53 THz,1.36 THz处吸收强度未产生影响; 最后取相同剂量的 2份 α-乳糖, 一份过筛至 75 μm, 另一份未过筛, 利用衰减全反射式太赫兹时域光谱系统获得吸收谱线, 在 0.53 THz,1.36 THz均有较强吸收峰; 减小样品颗粒度, 在 0.53 THz, 1.36 THz附近吸收强度增加。

为了克服传统轴棱锥产生太赫兹贝塞尔光束无衍射距离短的局限，设计了一种双锥面轴棱锥结构。基于几何光学理论对双锥面轴棱锥产生太赫兹贝塞尔光束的原理进行了分析，并对太赫兹贝塞尔光束的无衍射特性和双锥面轴棱锥顶点对齐误差对无衍射特性的影响进行了理论和仿真计算分析。同时，采用透射式太赫兹时域光谱系统对双锥面轴棱锥的功能进行了实验验证。仿真和实验结果表明：太赫兹波经过锥面底角为γ₂=20°、γ₁=15°的双锥面轴棱锥后能够产生110 mm无衍射距离的太赫兹贝塞尔光束，相较于传统轴棱锥，无衍射距离增加了82.63 mm；无衍射距离随着锥形底面角度的增加而增大。

太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术作为一种新兴的相干探测技术，其发展推动着安全检测和无损检测技术的进步与革新，对保护人们的生命健康、财产安全有着突出的贡献。为了获得更好的成像效果与探测灵敏度，就应在保证获取信号的信噪比符合要求的同时提高对太赫兹信号的探测速度。本文基于渐开线反射面光学延迟线装置，分析了光学延迟线外形参数，对延迟距离为71 mm、延迟时间为236.7 ps的模型进行了仿真。针对旋转反射镜轴心的偏心误差、平面反射镜的安装误差和旋转光学延迟线的出射光斑畸变三个方面进行了误差分析，并讨论了减小误差的方法。为该装置提升时间延迟、获得更加完整的太赫兹光谱，以及进一步提升THz-TDS系统的性能提供理论和仿真基础。

太赫兹滤波器是太赫兹通信、 太赫兹成像和太赫兹检测等太赫兹应用系统中不可或缺的功能器件。 按照不同的分类方式, 滤波器有不同的种类, 常见的按照选频功能可分为高通滤波器、 低通滤波器、 带阻滤波器和带通滤波器。 为了实现在太赫兹波段的滤波效果, 世界各地的研究人员利用不同的结构、 材料和控制方式实现了功能各异的太赫兹滤波器, 但是考虑到设计的器件要应用到太赫兹系统中, 成本低廉、 结构简单、 性能优越的太赫兹滤波器一直是研究人员的追求。 分形概念自提出以来在很多研究领域都有了快速发展, 但是在太赫兹波段的应用还不是很常见, 特别是应用于太赫兹功能器件的设计。 引入分形中科赫曲线的概念设计并制备了一种新型的太赫兹带通滤波器, 该滤波器是在金属薄膜上刻蚀出科赫曲线分形结构, 当太赫兹波垂直入射到该滤波器时候实现了在太赫兹波段的窄带滤波。 在滤波器的设计过程中, 追求理论与实验相结合, 首先在电磁仿真软件中建立科赫曲线分形结构滤波器模型进行计算, 探究分形结构应用于太赫兹波段进行滤波的可行性, 在进行多次计算之后得到优化后的尺寸和结构, 然后根据优化后的尺寸加工出科赫曲线分形结构太赫兹滤波器样品, 并且将样品放在太赫兹时域光谱系统中进行实验测量, 得到实验数据后与仿真结果进行比较。 在仿真中利用了时域有限差分法模拟科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器的传输特性, 优化后的仿真结果表明: 滤波器的谐振频率为0.715 THz, 透射系数能够达到0.92, -3 dB带宽为21.9 GHz, 将仿真得到的散射参数进行S参数反演得到了太赫兹滤波器样品的电磁参数, 这在理论上分析了太赫兹波在谐振点处产生透射增强的原因。 利用飞秒激光微加工系统制备了尺寸优化后的科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器样品, 然后使用太赫兹时域光谱系统对样品的传输特性进行测试, 对实验得到的时域数据进行快速傅里叶变换之后得到频域数据, 再把频域数据进行归一化处理后与之前的电磁仿真结果进行对比, 发现实验测得的结果与电磁软件仿真得到的结果较为吻合。

提出了一种利用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）进行红木分类识别方法。 红木价格昂贵, 同时由于种类繁多难以识别, 导致红木市场以次充好, 以假乱真的现象层出不穷, 严重扰乱了市场秩序, 给生产者和消费者造成巨大的经济损失, 传统的红木分类识别方法难以兼顾准确性和快速性, 因此需要研究一种新的方法对现有木材分类识别方法进行补充和发展。 相比于传统方法, 太赫兹波对红木具有良好的穿透性及指纹特性, 在红木的分类识别中有较大的应用潜力。 选用5种红木（巴里黄檀、 奥氏黄檀、 大叶紫檀、 小叶紫檀、 交趾黄檀）作为试验样品木材。 利用THz-TDS系统得到木材的太赫兹时域光谱, 通过对五种木材的太赫兹时域光谱进行快速傅里叶变换, 得到木材太赫兹频域光谱, 并对太赫兹时域光谱提取光学参数, 分别得到木材的太赫兹折射率谱和吸收系数谱, 结果表明不同种类的木材在时域光谱上具有时间延迟线与振幅的差异, 在频域光谱上显示衰减趋势及幅值各不相同, 在吸收系数谱中各种类红木吸收峰出现的频段不同, 能够直观地展示出各种类木材之间的区别, 表明THz-TDS进行红木分类识别具有一定的可行性。 利用连续投影算法（SPA）提取吸收系数谱和折射率谱的特征频率, 对吸收系数谱260个频率点筛选出28个特征频率点, 频段占比1077%; 对折射率谱260个频率点筛选出12个特征频率点, 频段占比462%。 分别建立基于吸收系数谱和折射率谱的随机森林分类模型和支持向量机（SVM）红木分类模型, 并对各模型分类结果进行对比。 实验结果表明, THz-TDS具有良好的木材识别效果, 基于木材太赫兹吸收系数谱和折射率谱建立的随机森林分类模型对红木种类有着较好的分类性能, 总体分类准确率分别达到了94%和96%, 能够准确对红木种类进行分类识别。 利用太赫兹时域光谱技术实现了红木的分类识别, 为红木的分类识别提供了一个新的思路和技术方案, 能够作为近红外光谱木材检测方法的补充, 同时为太赫兹技术在木材分类识别领域的应用提供了理论基础。

针对橡胶材料与金属板粘接样件厚度及粘接质量，采用反射式太赫兹时域光谱 (THz-TDS)系统对其进行无损检测。通过对检测数据中各点时域波形飞行时间信息的分析，得到样件橡胶部分的二维厚度分布图，实现了橡胶样件厚度分布的可视化成像；通过对检测数据中特征点波形及B-Scan图像的综合分析，判断出样件的分层缺陷。该研究结果为橡胶材料厚度及分层缺陷的无损检测提供了有效的解决办法。

为了测量金属平板的雷达散射截面,分别采用了太赫兹时域光谱系统和0.1THz连续波测量系统两种方法进行测量, 并从理论上分析了雷达散射截面测量模型。结果表明, 对于太赫兹时域光谱系统, 随着测量频率和角度的增加, 其误差在增大; 对于0.1THz连续波测量系统, 随着角度的增加, 误差增大, 随着被测目标尺寸增大, 误差先减小后增大, 实验最小误差均可达到-0.244dB。利用太赫时域光谱系统及0.1THz连续波测量系统测量雷达散射截面均是可行的。太赫兹时域光谱系统具有频率取值范围大、角分辨率高的特点; 而0.1THz连续系统系统结构简单、成像速度快、使用方便。