太赫兹波通常指频率在0.1THz至10THz之间的电磁波,具有光子能量低、穿透性强、频谱信息丰富、通信带宽宽等特点,在物质材料检测、频谱分析以及通信等领域具有重要的应用前景。而作为一类人工设计的新颖材料,超材料通过改变其亚波长结构单元的几何参数或排列周期获得奇异的电磁响应,近年来发展迅速,为实现太赫兹波调控提供了有效途径。与基于表面等离基元共振模式响应的超材料不同,基于Fano共振的超材料的共振模式源于其单元结构产生的超辐射态与亚辐射态等离基元共振模式间的干涉效应,理论上具有更窄的线宽、更强的局域电场/磁场增强效应以及更高的折射率灵敏度等特点,在研制生物/化学传感器、光开关以及慢光器件等方面具有重要意义。基于此,本论文主要围绕基于Fano共振模式的太赫兹频段超材料结构设计及其机理特性开展研究工作,提出并设计了两种基于Fano共振模式的可调谐太赫兹频段超材料结构,研究分析了这两种超材料产生Fano共振的机理、可调谐性以及在功能器件方面的应用前景。论文主要工作总结如下:(1)设计了一种基于金属-石墨烯结构的太赫兹超材料,通过金开口谐振环与矩形石墨烯结构对称嵌套于同一结构单元实现了偏振不敏感的Fano共振。通过数值模拟,分析研究了不同单元结构参数、不同太赫兹波入射角度以及不同石墨烯费米能级对应的透射光谱,揭示了该超材料的可调谐特性。对比分析了基于表面等离基元共振模式的超材料与基于Fano共振模式的超材料在纳米厚度物质传感性能方面的主要区别,研究表明:基于Fano共振模式的太赫兹频段超材料更适用于具有纳米厚度的物质材料传感,对于厚度2 nm分析物(1.00≤n≤1.56)的频率灵敏度为1.18 THz/RIU,对于厚度2 nm至40 nm分析物(三溴甲烷,n≈1.56)的最大频率移动量为1671.61 GHz。为设计偏振不敏感的Fano型太赫兹频段超材料以及研制开发应用于生物/化学物质的太赫兹频段传感器件提供了理论指导。(2)提出了一种基于石墨烯圆环-矩形条结构的等离激元诱导透明太赫兹超材料,通过共振模式耦合时的干涉现象形成了处于太赫兹频段的偏振敏感的透明窗口。采用偶极子相互作用模型,数值模拟研究了石墨烯圆环与矩形条结构间的间距和费米能级以及太赫兹波偏振角度对等离激元诱导透明效应的影响规律。研究结果表明:增大石墨烯结构间距将直接导致耦合强度下降;随着太赫兹波偏振角度的增大,耦合强度不断降低,偏振角度达到60°时已观察不到明显的透明窗口,偏振角度达到90°时透明窗口完全消失。此外,分析研究了太赫兹波偏振角度对超材料结构慢光特性的影响,研究表明:超材料的慢光特性随太赫兹波偏振角度的增加而不断减弱,对应于偏振角度0°时的最大群延迟时间为136.57fs,慢光特性明显,在研制开发太赫兹波段慢光器件方面具有重要的应用价值。(3)利用实验室自研的飞秒激光微纳加工系统,加工制备了基于金开口谐振环单元结构的太赫兹频段超材料,并通过太赫兹时域光谱系统对其在太赫兹频段的电磁特性进行了测试表征,实验测试结果(吸收峰:2.22 THz)与数值仿真结果(吸收峰:2.18 THz)基本吻合,有助于进一步开展太赫兹功能器件研制及其特性的数值仿真验证。