在前期工作中，通过对太赫兹光场图像进行离散余弦变换(Discrete Cosine Transform，DCT)滤波和数字重聚焦，初步实现了图像去噪和前后景分割。为了进一步得到质量更高的太赫兹光场原数据并达到更加精确的深度分割效果，改进了实验方案及处理方法，并提出了一种基于极平面图像(Epipolar Plane Image， EPI)的太赫兹光场深度估计方法。在太赫兹图像特性的基础上，给出了深度与视差的关系，并利用局部视差和置信度构建了全局深度图，从而达到了深度估计的目的。最后，在实验中通过10×10的相机阵列采集太赫兹光场数据，得到了准确聚焦于不同平面的重聚焦结果和高分辨度的深度估计图，实现了太赫兹光场成像的深度估计。

太赫兹（THz）波在物质检测方面发挥着巨大的作用, 是一种非常有潜力的生化传感工具。 但是传统的太赫兹时域光谱系统（TDS）结构复杂, 系统的集成度低, 占用空间较大。 所以, 如何对THz波进行有效引导、 实现集成化传输并得到高质量光谱就成为太赫兹光谱系统的研究热点。 太赫兹片上系统是将THz的产生、 传输以及探测都集成到同一芯片上, 然后通过相干探测的方法获得THz时域光谱。 它可以实现对多种样品的检测, 尤其在对难于取样的微量样品探测方面具有广泛的应用价值。 它无需光路准直, 操作简便, 成品率高。 两个研究工作都是基于低温砷化镓(LT-GaAs)外延片开展的。 首先将一根直径为200 μm的铜线固定在LT-GaAs外延片的上方, 通过真空蒸镀的方法制备出天线电极, 同时得到天线间隙, 研制出基于LT-GaAs外延片的THz天线。 利用波长为800 nm的飞秒激光对其进行测试, 得到了质量较高的THz信号, 验证了天线的实用性。 然后在另一外延片上利用光刻微加工工艺制作出传输线和微电极, 得到了集成的THz片上系统。 使用波长为1 550 nm的飞秒激光分别激发片上系统的太赫兹产生天线和探测天线, 天线产生的太赫兹波在传输线上传播, 在探测端同样得到了质量较高的THz时域信号, 证实了THz片上系统的可行性。 该方法省去了腐蚀牺牲层以及LT-GaAs薄膜的转移、 键合等步骤, 极大地提高了片上系统的成品率, 避免了薄膜转移过程中易破碎及腐蚀液存在毒性的问题。 最后, 研究了外加电压对从片上系统中获得的THz波性能的影响, 结果为电压越高, THz波的信号强度越强; 另外, 通过在传输线上方垂直放置铜箔的方法验证了THz波沿着传输线传播的事实。 该研究中采用的基于LT-GaAs外延片的片上系统的制备方法简单, 制作周期短, 制作过程安全, 应用领域广泛, 这为将来与微流控芯片相结合实现对液体样品的探测打下了基础。

太赫兹波的频率介于红外线与微波之间，其独特优势使得太赫兹三维成像已成为国内外的研究热点。为了将光场成像技术拓展到太赫兹波段，介绍了太赫兹光场成像的实验与处理方法。采用太赫兹相机阵列采集到了一系列特定视角的太赫兹光场数据。针对由成像系统的器件限制导致图像存在较强噪点等问题，通过离散余弦变换 （Discrete Cosine Transform，DCT）滤波达到了较好的去噪效果并有效保留了图像的细节信息。利用峰值信噪比 （Peak Signal-to-NoiseRatio， PSNR）和结构相似性 （Structural SIMilarity， SSIM）图像质量评价指标对比了多种滤波去噪方法，证明了DCT滤波方法对于太赫兹图像预处理的可行性。通过选取不同深度值得到了不同景深处的图像重构结果，初步实现了太赫兹光场成像的数字重聚焦。

太赫兹波具有传输速率高、容量大、方向性好、抗干扰能力强等特点，由于大气损耗大和大功率源的缺乏，较适用于短距离无线通信。基于 300 GHz频段的优良特性，设计了一种 310 GHz太赫兹无线通信系统。通信 链路基于美国亚毫米波与太赫兹产品制造公司 (VDI)的谐波混频和超外差收发，系统主要由倍频器、功率放大器、滤波器和 VDI次谐波混频器构成。根据链路预算搭建实际通信系统，仿真和实验结果证明：随着通信速率的升高，解调信号的失真逐渐增加。通信距离 1m条件下，系统能实现 10 Gbps无误码传输，当速率达到 11 Gbps时，误码率为 5×10-6。

平衡探测器是直接探测太赫兹信号的器件，位于高速太赫兹时域光谱 (THz-TDS)系统末端光信号检测部分，是将光学信号转变为模拟电信号的关键器件，其性能决定了测量出的 THz信号的精确度。利用 2个低噪声光电二极管串联，直接探测出 2束激光的差值光电流，降低了探测噪声；选用增益带宽乘积为4 GHz的运算放大器对差值光电流进行两级放大，得到高动态范围的 THz信号，提高了THz信号的探测速度，并测量了 α-乳糖一水合物吸收峰，得到了和文献中相同的吸收峰。

大多数生物大分子和基团的振动或者转动能级处于太赫兹频段，而其生物活性在水溶液中才能表现出来，由于水对太赫兹波的强烈吸收，从而限制了太赫兹技术的推广和应用。为了研究水溶液中生物样品的反应、变化等动态特性，将太赫兹技术和微流控技术相结合，分别研究了微流控芯片上微流控沟道的尺寸，微流控芯片的材料及其制作流程，最后用去离子水对该芯片进行了初步测试，证明了该太赫兹微流控芯片的可行性。

太赫兹光场成像是一种太赫兹波段内的计算成像手段。在太赫兹相机扫描成像的基础上进行了图像预处理和光场计算。针对太赫兹相机受器件性能限制导致输出图像存在噪声大、分辨率低和视场小等问题, 对基于相机扫描的太赫兹光场成像进行了预处理, 通过控制二维平移台, 采集到一系列存在特定视角差别的目标图像；采取高通滤波方式对图像进行处理, 得到噪声小、锐化程度好的图像；在不降低图像分辨率的基础上利用Harris特征图像拼接算法计算得到较大视场的图像。通过上述方法, 有效地提高了光场成像质量, 为实现太赫兹光场成像三维重构奠定了基础。

太赫兹时域光谱技术是一种在太赫兹频段内, 广泛应用的光谱测量技术。 这种技术可以用于许多物质的频谱分析, 对于研究化学、 半导体与生物分子等领域有着无可比拟的作用。 然而用该系统进行样品探测时, 受回波的影响频谱分辨率较低; 受太赫兹波光斑大小以及待测样品与电磁波相互作用距离长短的影响, 样品消耗量较多, 并且整个系统的占用空间较大, 这些局限性都限制了太赫兹时域光谱系统的进一步发展。 为了突破太赫兹时域光谱系统的局限性, 设计了一种将太赫兹泵浦区、 探测区和传输波导集成到一个硅片上的太赫兹片上系统, 该系统不仅能够解决上述系统的局限性, 还能够省去样品测量前的光路准直环节, 使样品的测量过程更加简便, 同时集成化的系统也很大程度上提高了太赫兹波传输的稳定性。 在太赫兹片上系统中, 泵浦区和探测区的光电导天线是由低温砷化镓和金属电极制成, 由于受到太赫兹片上系统的高度集成化和低温砷化镓晶体生长条件的限制, 如何制备出低温砷化镓半导体薄膜衬底, 并将其转移与键合, 是太赫兹片上系统研制过程中的关键环节。 首先利用分子束外延(MBE)技术制备出由半绝缘砷化镓、 砷化镓缓冲层、 砷化铝牺牲层和低温砷化镓层构成的外延片, 然后利用盐酸溶液与砷化铝和低温砷化镓反应速度差别较大的原理, 将200 nm厚的AlAs牺牲层腐蚀掉, 从而得到2 μm厚的低温砷化镓薄膜。 为了更加高效并且完整地得到低温砷化镓薄膜, 研究了盐酸溶液在不同温度和不同浓度下与AlAs牺牲层的选择性腐蚀速率的关系。 给出了低温砷化镓薄膜制备过程中盐酸的最佳体积比浓度和最佳温度, 即在73 ℃下13.57%的盐酸溶液中进行砷化铝牺牲层的腐蚀。 相比于已有工艺, 这种腐蚀方法对实验设备的要求较低并且具有较高的安全性。 最后, 将单层低温砷化镓薄膜转移键合至硅片上, 并制成光电导天线的结构。 利用飞秒激光脉冲进行激发探测到太赫兹信号。 由此说明, 低温砷化镓薄膜的获取、 转移与键合工艺能够满足芯片级太赫兹系统的制作要求, 这为太赫兹片上系统的进一步研制打下了坚实的基础。

由于许多生物分子的振动和转动能级均在太赫兹波段, 且太赫兹波具有电子能量低(约4 meV), 不会破坏待测样品的特性, 因此可以采用太赫兹光谱技术检测生物样品。 然而许多生物分子在液体环境中才能保持其生物活性, 需要在盐溶液中来探究酸碱环境对其的影响, 以及在盐类缓冲液中研究其生物特性。 但水作为极性液体对太赫兹波有强烈的吸收, 因此, 探究如何减少水对太赫兹吸收的方法非常必要。 水对太赫兹的吸收主要因水分子间氢键造成, 现阶段最常见的方法是减少水与太赫兹波的作用距离以及破坏水分子间的氢键。 利用夹心式微流控芯片在太赫兹时域光谱系统下通过观察光谱强度变化来探究电解质对水分子间氢键的影响, 既减少了水和太赫兹波的作用距离, 又探究了电解质对水分子间氢键的作用。 在微流控芯片中分别加入不同种类以及不同浓度的电解质, 通过观察其在0.1～1.0 THz范围内的光谱强度变化来分析不同电解质对水分子间氢键的影响。 部分电解质促进氢键的缔合, 而另一部分则破坏氢键的形成, 在太赫兹光谱范围内表现为光谱强度的变化。 若促进氢键的缔合则对太赫兹吸收变大, 光谱强度减弱; 若破坏氢键的缔合则对太赫兹吸收减弱, 光谱强度增加。 研究结果发现: 在水中加入KCl和KBr时, 太赫兹光谱强度增加, 表明二者对氢键有破坏作用, 使得光谱强度变大; 然而当加入MgCl2和CaCl2时, 太赫兹光谱强度减弱, 表明二者对氢键有缔合作用, 从而使光谱强度变小。 利用太赫兹技术在0.1～1.0 THz范围内研究KCl, KBr, MgCl2和CaCl2这四种不同浓度的电解质溶液特性, 发现它们只会对光谱强度造成一定影响, 不会引入新的特征吸收峰以及对待测样品造成干扰。 这对于研究诸如大肠杆菌、 枯草芽孢杆菌等在0.1～1.0 THz范围内有特征吸收谱的生物分子具有一定的实用价值。 在溶液中加入所需的电解质并借助微流控芯片不仅可以识别待测样品、 研究待测样品的光谱信息、 探究其生物特性, 而且为进一步推动太赫兹技术在生化方面的应用研究提供了先决条件。