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。

基于太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统，使用两个相互垂直的光电导天线构建了1×2 GaAs光电导太赫兹源阵列。通过调控各个阵元的偏置电压，对其辐射太赫兹波的偏振方向进行研究。结果表明：在已实现光电导发射天线阵列的高效合成以及可同时检测脉冲太赫兹波的振幅、相位及偏振态的探测天线的基础上，通过调控各个阵元的偏置电压分别改变了平行和垂直两个阵元辐射太赫兹波的强度；经过1×2 GaAs光电导太赫兹源阵列在远场的同步合成，可产生不同偏振方向的脉冲太赫兹波，实现了以全电控的方式产生任意偏振方向太赫兹波的光电导太赫兹辐射源。

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。

对于光纤耦合式太赫兹时域光谱系统, 其工作稳定性主要受限于光学延迟线延迟扫描过程中的插损稳定性。为了解决这一问题, 设计了一种新型的高稳定光学延迟扫描装置。将新型光学延迟线与传统光学延迟线进行光学仿真公差分析表明, 当其内部的角锥反射镜和光纤准直器具有相同程度的倾斜和偏心条件时, 新型光学延迟线所获得的耦合效率波动量远小于传统光学延迟线。通过太赫兹时域波形对比结果表明, 使用其方案所设计的新型光学延迟线所获得的太赫兹时域信号峰值波动量仅有传统光学延迟线的1/4。为提升光纤耦合式太赫兹时域光谱系统的稳定性提供了一种可行性方案。

脑缺血是神经外科的常见疾病之一,目前急需一种快速、准确的脑缺血检测方法。利用透射式太赫兹时域光谱技术对脑缺血组织进行检测,为减小个体差异的影响,通过计算左脑与右脑的太赫兹吸收系数的相对差异研究脑组织的缺血程度。实验发现,随着缺血时间的增加,新鲜组织的左右脑吸收系数的相对差异先变大后减小,主要原因是缺血区域的水含量升高和细胞密度下降;而石蜡包埋的脑缺血组织的左右脑吸收系数的相对差异逐渐减小,主要原因是缺血区域的细胞密度逐渐下降。结果表明,利用太赫兹时域光谱系统可以实现最早缺血2 h的脑缺血组织的检测,为脑缺血的早期无标记快速诊断提供了有效的技术手段。

为研究红外低发射率隐身涂层对太赫兹波的反射特性, 制备了红外低发射率隐身涂料, 测试了其可见光效果、 红外热像图及红外发射率等特性参数。 以土黄色红外低发射率涂料为测试样品, 利用透射式太赫兹时域光谱系统获得了样品在太赫兹波段的复折射率。 分析了特征矩阵理论, 并利用特征矩阵理论计算了涂层厚度(0.3~0.5 mm)与入射角度(0°~60°)的变化对入射太赫兹波反射特性的影响。 结果表明, 在相应厚度及入射角度范围内, 太赫兹波在0.8 THz频率下具有多个反射峰值, 最高值可达90%以上, 有利于实现太赫兹波对红外低发射率隐身涂层下金属目标的探测。 此外, 涂层厚度变化对入射太赫兹波反射率具有较大影响, 涂层越厚, 太赫兹波的反射振荡越多, 反射峰值越大。 入射角度对太赫兹波的反射特性具有一定的影响, 但整体影响不大, 有利于太赫兹波实现多角度目标的探测。 最后, 以表面均匀涂覆0.42 mm厚涂料的金属板为测试样品, 实验测量了样品在0.1~1.5 THz频率范围内的反射特性, 并与部分理论计算结果进行对比。 结果表明: 实验测量结果与理论计算结果在数值和趋势上较为吻合, 但也存在一定的偏差。 究其原因, 主要由样品厚度和样品参数误差导致, 但依然可利用特征矩阵理论研究红外低发射率涂层对太赫兹波的反射光谱特性。