为了进一步优化基于飞秒激光诱导的液态太赫兹辐射源, 设计一种飞秒激光诱导液线辐射太赫兹波的实验系统, 结合量子化学计算和飞秒激光诱导液线辐射太赫兹波实验, 研究了激发介质的微观特性和宏观特性与太赫兹电场的关系。实验与计算结果表明: 太赫兹电场与禁带宽度、偶极矩均呈负相关; 太赫兹电场随溶液浓度变化的非线性趋势与介质的密度、雷诺数有关, 太赫兹波电场的最佳体积分数为40%。

强场太赫兹波具有高的峰值功率，相应地，其电磁场分量强度也很大。当强场太赫兹辐照物质表面时，会诱发一系列新奇的反常变化，受到人们的广泛关注。本文首先介绍了常见的一些强场太赫兹发射源，如光电导天线、光学整流晶体、超材料等，随后介绍了强场太赫兹技术在物态调控方面的一些典型应用，主要包括强场驱动热载流子运动、相干电子或声子调控、强场自旋电子学、太赫兹荧光发射、太赫兹克尔效应、生物医学等。

返波振荡器是一种重要的真空电子学太赫兹源，具有高功率、高工作频率和宽带调谐等特点。为提高圆形电子注与光栅慢波结构的互作用，提出一种双电子注嵌入矩形光栅的慢波结构，使电子注与光栅表面电场更好地充分相互作用，从而提高互作用效率和输出功率。通过数值求解和仿真计算其色散特性，结果表明，相比于相同结构参数的普通矩形单栅，该结构可以实现更高的工作频率和耦合阻抗。利用CST 进行PIC 仿真，优化结构和电子注参数，最终得到工作频率501 GHz,10.6 W 的稳定输出。研究成果为设计0.5 THz 的返波管提供了理论指导。

在太赫兹频段，无源器件电容电感的品质因数低、电路的寄生参数以及 MOS管的截止频率影响使太赫兹振荡器电路难以实现高功率输出。提出一种 300 GHz可调谐振荡器，首先，采用改进的交叉耦合双推 (Push- Push)振荡器结构，通过输出功率叠加的方法输出二次谐波 300 GHz信号，增加了振荡器的输出功率并突破了 MOS管截止频率，并通过增加栅极互连电感增加输出功率。其次，太赫兹振荡器摒弃传统片上可变电容调谐的方式，通过调节 MOS管衬底电压改变 MOS管的栅极寄生电容实现频率调谐，避免太赫兹频段引入低 Q值电容，进一步增加了输出功率。提出的太赫兹振荡器采用台积电 40 nm CMOS工艺，基波工作频率为 154.5 GHz，输出二次谐波为309.0 GHz，输出功率可达 -3.0 dBm，相位噪声为 -79.5 dBc/Hz@1 MHz，功耗为 28.6 mW，频率调谐范围为 303.5~315.4 GHz。

为解决已有太赫兹(THz)表征系统对样品性质表征不够全面的问题,搭建了基于硒化镓(GaSe)晶体的宽谱THz系统,利用飞秒脉冲激光泵浦GaSe晶体,产生频谱范围为10~20 THz的宽谱THz波。搭建了迈克耳孙干涉仪对THz瞬态电场进行非相干表征,用该系统测量了尿嘧啶等三种生物样品的高频吸收谱,并通过密度泛函理论对生物分子的振动、转动情况进行了理论分析。测量结果与理论结果相吻合,证明了该系统可快速获取样品的高频信息,弥补了传统THz光谱系统在高频波段的信息缺失,为搭建高频THz时域光谱系统打下坚实的基础。

石墨烯在太赫兹波段的优异性质,使其在太赫兹源、太赫兹探测和太赫兹调控三个方面都具备广阔的应用前景。主要对石墨烯在太赫兹波段的性质及石墨烯基太赫兹器件的相关研究进行了综述,并对石墨烯在太赫兹波段的应用前景进行了展望。在石墨烯太赫兹波段性质方面,主要介绍了石墨烯的电导模型、静态和超快光谱响应特性,以及表面太赫兹波辐射特性。在石墨烯基太赫兹器件方面,主要综述了基于光、电、磁调控的太赫兹主动器件,石墨烯基超材料的太赫兹调制器,基于阻抗匹配的减反射调控器件,以及可调太赫兹源器件的最新研究进展。