太赫兹超材料在通信、成像和传感领域具有重要应用前景，本书全面阐述了太赫兹超材料领域的最新研究进展，系统介绍了太赫兹超材料的建模、设计、特性和应用实践。内容包括太赫兹超材料的概念内涵、设计原理、性能分析、应用挑战与发展，涉及的材料包含碳纳米管薄膜、全介质（硅）、金属以及相变材料等，涵盖了跨介质超材料共振机理、设计方法，并探索了不同材料体系的太赫兹超材料在痕量生物化学物质传感、全息及非线性高次谐波等方面的应用。

本书可供从事太赫兹光波技术、微纳超材料、新型太赫兹功能器件与应用等领域的科研人员阅读参考，也可作为高等院校光电子技术、材料科学与工程、电子科学与技术等相关专业研究生和高年级本科生的教学参考书。

前言

超材料是一种人工设计的复合材料，其结构尺寸远小于工作波长，且具有天然材料无法获得的电磁特性。由于太赫兹波段的独特性能，如非电离、低能量、良好的非极性材料穿透性，使其在物质特性研究、光谱分析和新型光电器件设计中具有不可替代的作用。天然材料在太赫兹波段的响应往往受到限制，通过精确设计超材料的几何结构可以实现对太赫兹波的精确控制，从而突破这些限制。例如，在通信领域，太赫兹超材料可以用于开发高效的滤波器、天线和波导器件，从而推动高带宽无线通信的发展。在成像和传感领域，太赫兹超材料能够实现高分辨率、多模态成像和高灵敏度生物传感，应用于医疗诊断、安全检测、环境监测等场景。太赫兹超材料的研究逐渐成为科学和工程界关注的热点之一。

太赫兹技术正逐渐从实验室走向实际应用。在此背景下，进一步促进太赫兹功能器件的小型化与集成化，推动新型太赫兹功能器件的创新发展越发关键。幸运的是，太赫兹超材料为开发新型功能器件提供了丰富的设计自由度。通过优化超材料的几何结构和材料组合，可以设计出具有独特电磁性能的器件，如负折射率透镜、超高灵敏度传感器、宽带吸收器等。这些器件在太赫兹波段的应用大大拓展了太赫兹技术的应用范围。此外，不同材料体系的太赫兹超材料可以满足特定应用场景的需求。例如，在生物医学成像中，生物相容性材料体系的超材料可以减少对生物组织的损伤。然而，对不同材料体系的太赫兹超材料的研究面临着材料属性的复杂性、制备工艺的差异性、建模与仿真的精确性、性能优化与均匀性控制以及表征技术等多种挑战，使不同材料体系的太赫兹超材料的开发和应用迅速成为技术领域研究的热点与难点。

由于太赫兹超材料研究涉及物理学、材料科学、工程学和计算机科学等多个学科，往往令新进入该领域的学者无法迅速全面了解领域内的前沿动态，进而难以形成清晰的学习思路。本研究团队在研究了各种太赫兹波段超材料建模、设计、性能及其应用并进行充分总结，希望本书总结出的一些新型超材料器件结构设计、加工与测试等方面的共性知识，与给出的一些典型研究案例，对读者有所启示。

本书共 6 章。第 1 章概述了太赫兹波特点及其主要应用，介绍太赫兹基本概念、应用领域与发展现状，同时，介绍了超材料基本概念与理论及其主要应用领域。第 2 章系统介绍了太赫兹碳纳米管薄膜超材料器件及其传感应用，涉及碳纳米管的基本概念、制备方法和基于碳纳米管太赫兹超材料的共振特性。第 3 章介绍了太赫兹金属 / 介质超材料器件及其应用，包括太赫兹金属 / 介质超材料共振的基础理论、制备方法与器件特性及其传感机理。第 4 章分别从单带、宽带及多带共振角度概述了太赫兹全硅超材料器件设计及其在全息成像等领域的应用。第 5 章重点介绍了太赫兹超材料器件可调谐特性及应用，主要包括超材料器件可调谐机理、共振可调谐特性以及跨介质可调谐超材料器件的应用。第 6 章展示了太赫兹连续域束缚态超材料的基本特点及其在痕量物质传感等领域的应用研究。

王玥主要负责撰写第 1-4 章的内容和审阅全书，胡辉主要负责撰写第 5 章的内容，赵晓光和崔子健主要负责撰写第 6 章的内容并修改了部分章节的内容。作者所在课题组的陈素果副教授，研究生张向、孙广成、张晓菊、陈文烁、罗帆、李曜合、张宏宇、陈向东、王鹏涛、姚佳豪、茹雨蒙、白耕榆、樊怡卓、吴睿、李佳雪等也参与了本书的资料查阅、整理和校对工作，在此表示衷心地感谢。本书的研究工作得到了国家自然科学基金重点项目（62435015）、联合基金（U21A6003）、面上项目（61975163、62275215）、青年项目（61201075）等的大力支持。同时感谢国内外太赫兹、超材料领域众多专家学者长期以来对本课题组的指导和支持，使跨介质太赫兹超材料功能器件及其应用等相关研究能够持续开展并取得一些重要成果。

由于作者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评指正。

王 玥

2026 年 1 月于西安理工大学

目录

第 1 章 绪论

1.1 太赫兹波特点及其主要应用

1.1.1 太赫兹波概念

1.1.2 太赫兹波特点

1.1.3 太赫兹波应用

1.2 基于光子学方法的太赫兹波产生

1.2.1 利用光电导天线产生太赫兹波

1.2.2 光整流

1.2.3 半导体表面场效应

1.2.4 其他基于光学技术的太赫兹发射器

1.3 基于电子学的太赫兹发射源

1.3.1 返波管

1.3.2 自由电子激光器

1.3.3 量子级联激光器

1.4 太赫兹波的探测

1.4.1 光电导取样技术

1.4.2 自由空间电光取样

1.4.3 连续太赫兹信号的探测

1.5 太赫兹时域光谱系统

1.5.1 太赫兹时域光谱系统构成

1.5.2 透射式太赫兹时域光谱测试原理

1.5.3 透射式太赫兹时域光谱在半导体 Si 材料中的应用

1.6 太赫兹表面等离子激元基础

1.6.1 德鲁德模型

1.6.2 太赫兹表面等离子激元的色散关系

1.6.3 多层结构中的表面等离子激元

1.6.4 太赫兹表面等离子激元的新趋势

1.7 超材料及其应用

1.7.1 超材料的基本概念

1.7.2 超材料的发展概况

1.8 超材料的理论依据

1.8.1 负有效介电常数

1.8.2 负有效磁导率

1.9 超材料的电磁特性

1.9.1 负折射现象

1.9.2 二次会聚效应

1.9.3 完美透镜效应

1.9.4 逆多普勒效应

1.9.5 逆 Cherenkov 辐射效应

1.9.6 逆 Goos-Hanchen 位移效应

参考文献

第 2 章 太赫兹碳纳米管薄膜超材料器件及其传感应用

2.1 引言

2.2 碳纳米管

2.2.1 碳纳米管的结构

2.2.2 碳纳米管的性质

2.3 碳纳米管薄膜的制备、性质及应用

2.3.1 超顺排碳纳米管薄膜的制备

2.3.2 超顺排碳纳米管薄膜的性质

2.3.3 超顺排碳纳米管薄膜的应用

2.3.4 无序碳纳米管薄膜的制备及特性

2.4 太赫兹波段碳纳米管薄膜的介电参数与偏振特性

2.4.1 有序薄膜的介电参数

2.4.2 有序薄膜的偏振特性

2.4.3 无序薄膜的介电特性

2.5 碳纳米管薄膜超材料器件的传感应用

2.5.1 超材料器件结构设计

2.5.2 超材料器件制备

2.5.3 超材料器件共振特性

2.5.4 超材料器件微量农药传感研究

2.6 柔性碳纳米管超材料及其传感应用

2.6.1 柔性超材料器件应变传感特性研究

2.6.2 柔性超材料器件介质厚度传感特性

2.6.3 柔性超材料器件介质缺陷传感特性研究

2.6.4 柔性超材料器件折射率传感特性

2.7 碳纳米管薄膜超材料 Fano 共振与传感特性

2.7.1 Fano 共振超材料的设计与制备

2.7.2 共振特性与谐振特性分析

2.7.3 传感特性

参考文献

第 3 章 太赫兹金属 / 介质超材料器件及其应用

3.1 引言

3.2 超材料吸收器的理论基础

3.2.1 阻抗匹配理论

3.2.2 耦合模理论

3.2.3 干涉理论

3.2.4 传输线理论

3.3 超材料吸收器等效参数提取

3.4 多带太赫兹超材料吸收器设计、制备与测试

3.4.1 结构设计与制备工艺

3.4.2 仿真结果及分析

3.5 共振完美吸收条件分析

3.5.1 介质层特性对吸收特性的影响

3.5.2 基于干涉理论的完美吸收条件分析

3.5.3 顶层结构参数对吸收特性的影响

3.5.4 基于传输线理论的完美吸收条件分析

3.6 多带可调谐太赫兹吸收器设计与制备

3.6.1 仿真结果及分析

3.6.2 吸收器工作原理分析

3.7 超材料中模式杂化特性及其增强传感机理研究

3.7.1 模式杂化超材料设计与共振特性分析

3.7.2 多重反射与模式耦合理论分析

3.7.3 模式杂化超材料传感特性研究

参考文献

第 4 章 太赫兹全硅超材料器件设计及其应用

4.1 引言

4.2 单带全介质超材料的设计与分析

4.2.1 单带全介质超材料的设计与吸收特性

4.2.2 单带全介质超材料的光调谐与传感特性

4.3 宽带光子晶体超材料的太赫兹吸收特性及无线通信应用

4.3.1 宽带吸收机理与结构设计

4.3.2 测试结果

4.3.3 无线通信应用

4.4 多带 / 宽带全硅超材料器件传感特性

4.4.1 多带全硅超材料吸收器的传感特性

4.4.2 宽带与双带全硅超材料设计与传感应用

4.5 非周期性全硅超材料器件设计及应用

4.5.1 结构设计

4.5.2 共振吸收特性

4.5.3 传感应用

参考文献

第 5 章 太赫兹超材料器件可调谐特性及应用

5.1 引言

5.2 超材料器件可调谐机理

5.3 电控可调谐超材料

5.3.1 电控可调谐超材料器件结构

5.3.2 电调控特性

5.3.3 电控超材料的主要应用

5.4 相变可调谐超材料

5.4.1 相变材料在太赫兹领域中的研究

5.4.2 典型的相变材料

5.4.3 相变材料的器件开发

5.4.4 相变超材料在太赫兹领域的应用

5.5 光控可调谐超材料

5.5.1 光控可调谐超材料结构

5.5.2 光调控特性

5.5.3 应用

5.6 双曲超材料及其调控特性

5.6.1 色散关系

5.6.2 太赫兹表面波调控

5.6.3 HMM 的主要应用

5.7 其他跨介质可调谐超材料

5.7.1 基于液晶介质的可调谐超材料

5.7.2 基于热光效应的可调谐超材料

5.7.3 结构重构型可调谐超材料

参考文献

第 6 章 太赫兹连续域束缚态超材料及其应用

6.1 引言

6.2 连续域束缚态特点及应用

6.2.1 BIC 的概念及特性

6.2.2 BIC 的类型及基本分析理论

6.3 共振耦合型 BIC 超材料设计与共振特性分析

6.3.1 BIC 超材料结构设计

6.3.2 参数对 BIC 共振特性的影响规律

6.3.3 BIC 产生机理分析

6.3.4 理想 BIC 到准 BIC 转变

6.3.5 BIC 超材料传感特性

6.4 FW-BIC 超材料的设计与特性

6.4.1 FW-BIC 超材料的结构设计

6.4.2 FW-BIC 超材料的谐振特性

6.4.3 FW-BIC 谐振的多级分解与耦合强度

6.5 全介质超材料 BIC 的拓扑特性

6.5.1 拓扑基本概念

6.5.2 BIC 的拓扑特性

6.5.3 拓扑荷的主要性质

6.6 全介质超材料的传感及高次谐波应用

6.6.1 全介质超材料传感

6.6.2 用于增强指纹光谱传感的全介质超材料

6.6.3 BIC 的高次谐波应用

参考文献