自从Ebbesen等人在实验上观测到亚波长金属微纳孔阵结构的异常光学透射现象以来,人工电磁材料经历了迅猛发展。关于电磁波与人工电磁材料的作用机理有很多种说法,但是它们都存在一定的局限性,不能对太赫兹波段金属亚波长阵列结构的共振特性提供合理的解释。并且,作为太赫兹频段超材料重要的应用领域,其在生物化学传感方面也缺乏足够的研究。为了解决这些问题,本文对太赫兹波在亚波长结构中的散射和共振特性进行了系统而深入的研究,并详细分析了其在传感方面的潜在应用。主要研究内容如下:(1)研究了亚波长金属结构的共振特性。首先分析入射太赫兹波垂直照射在衬底表面时的情况,以实验结果为依据,提出了一种新的物理概念,即碟片散射平板模式,证明了样品的共振特性主要由该模式决定。当太赫兹波从金属结构面入射,由于衬底内的吸收对平板模式影响较大,因此在实验上可以观测到碟片散射平板模式向碟片散射模式的转变。与此同时,本文还系统地研究了样品的尺寸参数对共振频率的影响。利用等效偶极子模型,建立了一种解析的共振模型,能够很好地解释上述物理现象,并给出一个非常简洁的相位匹配条件。(2)研究了太赫兹超材料吸收体的共振特性。本文将十字形、方形环和Ⅰ形结构通过光刻制备在柔性衬底聚酰亚胺表面,并制成金属-绝缘体-金属的三层吸收体结构。系统地分析了衬底厚度、入射角度等因素对吸收曲线的影响。利用多光束干涉法对吸收体结构的内在机理进行详细解释,并且最终推导出简洁的相位匹配条件,可以预测出各阶次的最佳厚度值。最后提出了一种非常简单的非对称十字形吸收体结构来实现双频带吸收,实验测量的两个吸收峰强度都接近100%,通过改变结构的非对称因子可以非常轻松地调节其共振频率。将非对称十字形吸收体运用于折射率传感时可以实现非常高的灵敏度,并拥有很高的品质因数。(3)研究了窄带共振的实现方式。利用金属线连接两个开口谐振环结构,在实验上观测到窄带共振模式,由于该模式是由两个开口谐振环支持的“暗模式”通过金属线连接耦合产生,因此辐射损耗很小,共振线宽较窄。通过共振频率处的表面电流分布解释了其物理内涵。在窄带超表面的基础上设计出了窄带吸收体结构,窄带吸收体具有更大的共振强度,以及更小的共振线宽和更高的品质因子。本文系统地分析了各种几何参数对共振时品质因子的影响,并用等效LC电流模型对共振频率的移动进行定性的解释。最后研究了窄带吸收体的传感特性,得益于其较高的电场放大系数,计算得到的传感灵敏度值远高于一般的吸收体结构。(4)研究了超材料的传感特性。首先分析了超表面的表层图案对传感灵敏度的影响,当破坏十字形结构的对称性,将其变为非对称性十字形结构后可以大幅提升其传感灵敏度。其次,还深入地研究了影响传感灵敏度的诸多因素,发现衬底折射率越低传感灵敏度越高,超表面结构的传感灵敏度高于同等条件下的超材料吸收体结构。最后,基于上述结论,设计出一种具有高品质因子值和高灵敏度的结构,与其他人的研究成果相比较,本论文中提出的结构具有非常优异的性能,在生物传感和物质识别领域可能发挥重要的作用。