太赫兹科学与技术是世界范围内备受瞩目的研究热点,在众多前沿领域都有着潜在的应用前景,开发太赫兹功能器件对于促进太赫兹科学与技术的发展和实用化有着至关重要的作用。自然界中能操控太赫兹波的材料昂贵而稀少,这导致太赫兹波段的调制器件比较匮乏,限制了太赫兹技术的发展。人工电磁超材料的兴起为太赫兹技术的发展和走向实际应用提供了新的发展契机。通过合理的结构设计及材料选取,利用超材料结构可实现自然界材料所不具备的特殊电磁性质,实现对太赫兹波传输特性的人为调控,这对于克服太赫兹波段当前材料、功能器件稀缺的瓶颈有着切实可行的实际意义。近年来,太赫兹波段超材料发展十分迅速,涌现了大量设计新颖、功能强大的新结构,而其中功能与特性能够被主动调控的超材料因其更大的灵活性和可操控性尤其具有吸引力,能满足未来太赫兹光通信中的弹性需求,已成为太赫兹领域新的研究热点。主动式超材料是指通过使用特殊的材料或者施加外界激励来调控其电磁性质的人工复合结构,大致可以分为基于光控或电控的半导体超材料、石墨烯超材料、非线性超材料、温控超材料、光子晶体超材料和液晶超材料等类型。其中,基于光控或电控的半导体超材料和石墨烯超材料由于操作简便、性能稳定、实现条件简单而发展最为迅速。本文主要以超材料相关理论为基础,结合光控半导体砷化镓及二维材料石墨烯等材料,设计并研究了工作在太赫兹段的可调谐超材料,现将本论文的主要研究内容归纳如下:1)设计了一种基于光控的主动式太赫兹超材料,该结构具有局域化场增强功能且场增强功能具有可切换特性(SLE超材料)。SLE超材料为由金属-半导体砷化镓-金属组成并采用空竹构型的复合结构,在飞秒激光控制下,其核心部分——半导体砷化镓板块可在绝缘状态和光激发状态之间转换,这可使SLE超材料的两个金属板块在绝缘和电连接状态实时切换,从而使SLE超材料的局域化场增强功能可在电场增强和电、磁场协同增强两种模式下切换。数值仿真表明,利用SLE超材料,可以将入射太赫兹波的电、磁分量增强两个数量级且局域化在μm~2量级的范围内。基于表面等离激元理论,对SLE超材料场增强功能的物理机制给出了合理的阐述。2)提出了一种石墨烯基可独立调谐的太赫兹双频等离激元诱导透明超材料(DBPIT metamaterial)。DBPIT超材料单元结构由空竹结构亮模式与分布于其两侧的尺寸不同的两个暗模式——开口谐振环(SRR)组成。在入射太赫兹波辐照下,亮模式分别与两个暗模式SRR之间的近场耦合,可产生具有两个独立透明窗口的等离激元诱导透明现象。数值仿真表明,通过门电压可独立调控DBPIT超材料任意石墨烯基结构单元的费米能级,进而可实现对两个透明窗口的中心频率及透射幅度的独立调控。利用经典的三振子耦合模型,对超材料内部亮、暗模式之间的耦合关系进行了定量表征和解析拟合,合理的解释了DBPIT现象的物理机制。值得一提的是,DBPIT超材料的亮模式采用空竹构型,有助于额外提高透明窗口的透射幅度。3)提出了基于亮模式调控的全金属双频等离激元诱导透明方案。通过调节亮模式谐振器的几何构型以调整其磁场增强效果,进而调控超材料单元结构暗模式在与亮模式近场耦合过程中的磁响应强度,以达到调整双频等离激元诱导透明行为的目的。本方案与以往方案的不同之处在于:对等离激元诱导透明的调控是基于亮模式而非暗模式进行的,调控机制主要是基于亮、暗模式间的磁响应而非电场响应。本方案对于可调谐等离激元诱导透明的研究具有一定的借鉴意义。