聚烯烃薄膜材料的孔隙率会影响材料的力学性能、绝缘性和贯通性，但少有对聚烯烃孔隙率无损检测的精确方法。本文以有效介电常数为桥梁，建立了四种材料等效折射率与孔隙率之间的等效模型；通过实际测试电池隔膜及微孔滤膜的太赫兹时域光谱，定量得到材料的折射率、介电常数、孔隙率等数据。结果表明：对于聚烯烃材料与空气的两相介质，其孔隙率与介电常数存在高相关性；采用改进的有效介质模型测得的孔隙率与常规的气体置换法测得的孔隙率的平均相对误差在2.53%左右；利用太赫兹光谱测量聚烯烃薄膜的孔隙率具备一定的可行性，有望成为薄膜检测的补充手段。

以纳米晶掺杂复合体系为例，研究该类多组分光学材料的有效介电系数随复合体系结构和组分介电系数的变化，进而分析有效介质理论的适用条件。假定纳米晶被周期性掺杂到背景晶体中，且均为各向同性材料。借助转移矩阵理论研究发现，当纳米晶和背景晶体的介电系数相差较大时，有效介电系数会表现出波长依赖性。此外，发现复合体系在其光学能隙处没有有效介电系数，说明此时基于等效介质思想的有效介质理论均不适合描述复合体系的光学性质，这是因为在物理上均一的光学材料无法形成光学能隙。

极化率作为材料的重要微观属性, 与其呈现出的多种宏观属性等紧密相关, 在新型药物及功能材料的设计中扮演着关键角色。 对于微观结构存在复杂分子间作用的物质体系, 获取其太赫兹波段的动态极化率具有重要意义。 极化率的实验测定建立在其本征介电常数的准确测定之上, 太赫兹时域光谱系统凭借其相干探测属性, 可直接提供太赫兹波在穿透样品后的相位变化信息, 用于精确测定样品的介电常数。 当样品由待测物纯物质组成时, 实验测得的介电常数可直接用于计算极化率。 但对于大多数的有机晶体, 其自身对太赫兹波的特征吸收以及与颗粒尺寸与波长相当造成的散射, 使其纯样品的太赫兹时域光谱表征受到系统信噪比的限制, 通常需要将待测物均匀分布于对太赫兹波透明且可塑性极强的聚合物载体中。 聚合物载体的使用导致实验直接测定的混合物介电常数中也包含了聚合物的介电影响, 无法直接用于计算待测物质的极化率。 针对这一问题, 将嵌于聚合物载体中的有机晶体整体等效为聚合物、 空气气隙和待测样品三组份混合介质模型, 结合各组份体积占比以Landau, Lifshitz and Looyenga有效介质模型从实验测得的混合物介电常数中移除聚合物和空气气隙的影响, 获取待测物的太赫兹本征介电常数, 从而进一步结合Clausius-Mossotti关系式计算其太赫兹极化率。 选取水杨酸晶体为研究对象, 利用所提出的理论方案, 从聚乙烯和聚四氟乙烯两种聚合物载体三种浓度混合物的原始介电常数中, 提取出了具有高度一致性的本征介电常数和太赫兹极化率, 验证了方法的有效性, 并利用实验结果首次报道了水杨酸晶体的太赫兹极化率, 在聚乙烯和聚四氟乙烯载体中的测定值分别为(17.2±0.2)和(17.6±1.0)3。

太赫兹时域光谱技术已经用于皮肤癌、 皮肤烧伤以及皮肤疤痕治疗效果的诊断和过程监测, 通常采用太赫兹时域和频域光谱参数作为区分皮肤组织不同状态的诊断参量。 目前最常用的皮肤活体反射式太赫兹测量装置需将皮肤放置于介质窗上来提高测量的准确性, 这使得皮肤表层水分含量因为阻塞而发生变化, 从而影响太赫兹诊断皮肤的精确性。 随着太赫兹生物应用从离体检测到活体测量方向发展, 需要分析阻塞情况下皮肤太赫兹光谱参数的变化规律。 采用太赫兹反射系统对手臂皮肤在石英介质窗上的阻塞过程进行了连续测量, 然后对不同时刻时域波形的峰峰值、 半波脉宽等13个特征量进行了分析。 结果表明: 时域信号和传递函数的峰峰值、 最大值与最小值之间的拟合斜率等参量随阻塞时间而呈指数衰减; 传递函数的最大值与最小值时间差、 最大值与最小值的斜率等随阻塞时间呈指数增加; 时域波形的半峰全宽、 对数频谱等保持不变。 然后用双德拜模型来模拟皮肤组织在0.2～1 THz频段的介电常数, 采用遗传算法和Levenberg-Marquardt相结合的优化算法得到了皮肤阻塞情况下不同时刻的双德拜参数, 结果表明: ε∞和εs均随着时间呈指数上升, 5 min内增幅分别达到了27.8%和12.5%; ε2、 弛豫时间常数τ1和τ2基本保持不变。 将皮肤组织视为多层媒质结构, 基于Bruggeman有效介质模型, 将计算得到的太赫兹反射率和测量得到的反射率作为目标函数, 再采用上述混合优化算法得出了皮肤含水量随时间的变化规律。 结果表明: 随着阻塞时间的增加, 皮肤角质层中的水分以指数函数的形式增加, 5 min的阻塞时间即可增加23.8%。 因此, 在进行临床应用和研究时, 必须谨慎考虑皮肤与介质窗接触阻塞而导致的参数变化。 该研究有利于提高太赫兹活体检测的准确性和推动太赫兹时域光谱技术的临床应用。

热电材料可有效回收废热并将其转化为电能, 然而转换效率受复杂耦合热电参数的限制。高效热电材料需要具有优异的电传输和良好的隔热性能。具有类金刚石结构的Cu₂SnSe₃是一种潜在的中温区热电材料, 本研究通过在Sn位和Cu引入Ag离子, 分别获得了高电传输相Cu₂Sn_0.93Ag_0.07Se₃和低热传输相Cu_1.91Ag_0.09SnSe₃, 然后通过机械混合和烧结制备了Cu₂Sn_0.93Ag_0.07Se₃和Cu_1.91Ag_0.09SnSe₃两相复合的材料。利用两相材料的晶体结构相同和晶格常数匹配的特点, 在高温段有效地协同调控了Cu₂SnSe₃材料的电输运和热输运性能, 从而使材料的高温热电性能得到优化, 用有效介质理论很好地描述了高性能的两相复合材料的电和热传输行为。

结合流体动力学介电模型以及尺寸依赖介电模型,提出了一种可用于描述金属纳米结构中表面等离激元非局域和尺寸效应的介电理论模型。利用不同介质模型对半径为1~100 nm的银纳米球进行电子能量损失特性和光学特性的仿真对比,结果表明该理论模型可在较大的能量范围(1~5 eV)和尺寸范围(2~200 nm)内,兼容有效地反映出局域、非局域、尺寸、甚至是类量子尺寸等效应对金属纳米结构表面等离激元特性的影响作用。同时,研究结果还有助于理解表面等离激元在纳米尺度上的共振模式、能量分布机理和动态演化机制,为等离激元器件的开发设计提供了参考。

太赫兹时域光谱技术目前逐渐应用于对岩石的研究中。 在制备样品时通常需要将岩石磨碎后与粘合剂混合压片, 岩石的含量、 粒径等都会对测试结果造成影响。 将自然界中常见的石英砂粉末（不同粒径）与聚乙烯（PE）微粒以不同的比例混合, 通过压片的手段将其制成适用于太赫兹系统测试的样品, 用以探究样品中石英砂的含量以及其粒径对实验结果的影响。 首先研究石英砂含量对实验结果造成的影响。 在保持样品中石英砂的粒径不变的情况下, 发现不同石英砂含量样品的时域光谱图中, 时间延迟以及峰值都呈现出非单调的变化趋势。 为了探究出现这种现象的原因, 对样品的折射率以及吸收系数做了进一步的分析。 结果表明样品的折射率会随着样品中石英砂含量的增加而逐渐增大, 通过适用于本实验的有效介质理论能够解释这一现象。 样品对于太赫兹波段的吸收系数随着石英砂含量的增加呈现出先增大后减小的现象, 并且在石英砂质量分数为60%时达到最大值。 为了解释这一现象产生的原因, 利用扫描电子显微镜对样品的微观形貌进行观察, 发现随着石英砂含量的增加, 在压制样品时PE颗粒破碎程度加剧, 导致PE的粒径变小。 根据米氏散射以及瑞利散射的原理, 石英砂粒径不变而PE粒径减小, 随之降低的散射强度与石英砂的吸收效应发生竞争, 从而导致了吸收系数先增大后减小的现象。 进一步研究了石英砂粒径对实验结果的影响, 对不同粒径的石英砂样品进行测试, 发现折射率不随石英砂粒径的变化而改变, 但其吸收系数随着石英砂粒径的减小而逐渐减小。 根据米氏散射, 样品吸收系数的变化是由于散射强度随石英砂粒径的减小而逐渐减小。 研究表明, 样品中石英砂的含量和粒径都会对实验结果产生影响。 石英砂粒径相同时, 样品的吸收系数随石英砂含量的增加呈现先增大后减小的趋势, 样品的折射率随石英砂含量的增加而逐渐增大; 石英砂含量相同时, 样品的吸收系数随石英砂粒径的减小而逐渐减小, 而样品的折射率基本不变。 这一结论对矿物样品的制备以及对混合物的实验结果分析有一定程度的指导意义。

聚合物材料因其对太赫兹波的高透过率以及良好的塑形能力在太赫兹研究中扮演了重要的角色, 由于材料的介电特性直接关系着折射率、 极化率等重要性质, 不同的应用场合通常需要材料呈现出特殊的太赫兹介电响应, 一方面可以选取不同的聚合物材料, 另一方面可以通过多种聚合物的混合实现材料介电性质的调制。 聚合物材料合理的选取和设计建立在材料太赫兹介电精确表征之上, 然而利用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)对聚合物材料进行透射式太赫兹介电表征时, 材料内部空气孔隙的存在会影响表征结果的复现性, 同时也会影响共混聚合物介电性质的分析和预测。 因此以Landau, Lifshitz, Looyenga(LLL)模型为基础提出了考虑空气影响的介电分析模型, 并选取了在太赫兹研究中广泛使用的聚合物材料聚乙烯(PE)和聚四氟乙烯(PTFE)对模型的有效性和稳定性加以验证, 展开了两种材料单质和混合物两方面的介电分析。 在太赫兹波透射样品之后的相位变化信息中提取出样品的介电常数, 同一种物质制备的样片间太赫兹介电谱存在明显差异, 使用包含气隙影响的LLL模型处理实验数据后, 样品介电常数中空气的介电影响被移除, 从而得到了两种材料的本征介电常数, 在此基础上, 使用测得的本征介电常数和混合物样品中两种材料的体积占比信息代入包含气隙影响的LLL模型计算得到了不同配比混合物的太赫兹介电常数的模拟值, 并与THz-TDS实验获取的实验值进行了对比。 利用所提出的有效介质模型, 聚乙烯和聚四氟乙烯在10～40 cm-1波段内移除空气影响后的平均介电常数为2.315±0.003（±0.13%）和2.109±0.003（±0.14%）, 在不同重量、 不同厚度的单组份样品间模型测定的聚合物介电常数保持了良好的重复性, 在对混合物的太赫兹介电性质测定与分析中, 利用模型计算的混合物介电常数模拟值与THz-TDS测定的介电常数实验值保持了高度线性相关, 其相关系数为0.964 3, 全局相对误差为1.08%, 体现了模型的可靠性。 提出的介电分析模型可以扩展到更多的高分子材料单质及其混合物的太赫兹介电性质表征中, 对太赫兹波段的共混聚合物材料设计具有参考价值。

研究了具有周期性孔阵列的金属表面附近的电磁局域态密度(EM-LDOS)，详细讨论了孔的填充因子和孔内填充介质对EM-LDOS的影响。相对于金属平板，具有孔阵列的金属表面附近的EM-LDOS的共振峰会发生分裂；随着填充因子的增加，横向表面等离子体激元的共振峰向低频方向移动，而纵向表面等离子体激元的共振峰向高频方向移动。当孔内填充具有更大介电常数的材料时，EM-LDOS谱中分裂的两个峰都会向低频方向移动，但低频峰的移动相对于高频峰的更为显著。

基于变换光学理论,提出了一种新型的各向异性均匀的压缩变换介质。通过坐标变换,该压缩变换介质将一片选定的均匀各向同性的自由物理空间“压缩”至一个小的变换区域,并通过补偿介质(ε=μ=-1)来补偿除了压缩区域之外的那片自由空间,以保持空间场分布的连续性。当两个分离的点光源分别处于该压缩变换介质之中的时候,它们能够形成完美的光学重叠效应,即形成完美的光学相干效应。利用有效介质理论,可以进一步简化变换介质参数,获得各向同性均匀的压缩变换介质实现光学重叠效应。该研究在高能相干激光中具有潜在的应用。