亚波长金属结构是指其结构尺寸远小于波长的金属结构,具有奇特的电磁谐振性质,已成为研究太赫兹光谱技术以及太赫兹器件的热点。太赫兹亚波长金属结构器件,由于其特殊的尺寸大小和结构,有着独特的光学特性,通常应用于异常透射、突破衍射极限、传感等研究领域。本文主要通过COMSOL Multiphysics仿真模拟软件,结合太赫兹局域表面等离子体共振理论,对金属阵列气体传感器进行模拟仿真,分别研究了金属阵列结构形状与尺寸对太赫兹透射、折射率灵敏度等参数的影响。主要研究结果及创新点如下:一、通过设计亚波长金属阵列结构传感器,产生太赫兹局域表面等离子体,实现太赫兹气体传感应用。通常表面等离子体的产生出现在可见光和近红外波段,而在太赫兹波段等离子体失去光场限域本领而几乎无法产生。而通过金属阵列、光栅等结构与表面等离子耦合,则能产生太赫兹表面等离子体共振。在太赫兹波段中,局限于一定的金属结构中的表面等离子体则称为太赫兹局域表面等离子体。二、利用COMSOL Multiphysics软件,并基于杜鲁德模型,建立三角柱、圆柱和方形柱金属阵列结构传感器的理论模型。基于有限元法,通过优化建模流程、边界条件、激励源、网格划分等设置,对研究该传感器的折射率传感特性进行仿真模拟设计。三、三角柱金属阵列结构局域表面等离子体传感特性研究。三角柱金属阵列结构的参数设置为:三角柱的正三角形边长为a=80?m,高度为h=5?m,阵列周期为T=200?m,研究了太赫兹波段在1~3 THz时,在不同气体折射率下的太赫兹透射率以及该金属阵列结构传感器的折射率灵敏度的特性。结果表明,随着气体折射率的增大,透射谷对应的频率随之减小,折射率灵敏度为1.29 THz/RIU。而当三角柱的正三角形边长分别为a=60?m、100?m,高度为h=5?m,阵列周期为T=200?m,分别对应的折射率灵敏度为1.40 THz/RIU、1.19 THz/RIU,由此可见,当三角形边长逐渐变大时,对应的折射率灵敏度会逐渐减小。而正三角形边长a不变,当周期T或是高度h变化时,其折射率灵敏度变化不敏感。四、圆柱、方形柱金属阵列结构传感器的结构参数对其传感特性的影响。圆柱的圆半径分别为r=22.3?m、29.7?m、37.1?m,高度为h=5?m,阵列周期为T=200?m,相应折射率灵敏度分别为0.54 THz/RIU、0.52 THz/RIU、0.50 THz/RIU;方形柱的正方形边长分别为b=39.5?m、52.6?m、65.8?m,高度为h=5?m,阵列周期为T=200?m,相应折射率灵敏度分别是1.03 THz/RIU、0.91 THz/RIU、0.59 THz/RIU。通过对传感器的太赫兹透射谱以及传感参数的分析,可以得知,对于三角柱、圆柱、方形柱金属阵列结构,随着气体折射率的增大,透射谷谷值都是随之而减小,但是圆柱和方形柱结构相对于三角柱来说变化较小;而随着几何尺寸逐渐增大,相应折射率灵敏度逐渐减小,并且相比较而言三角柱的折射率灵敏度最高且变化较大,其次方形柱,圆柱的变化最小。总而言之,本论文在理论上结合了局域表面等离子体共振,在器件设计上结合了亚波长金属阵列结构,从过去研究的可见光到近红外波段拓展至太赫兹波段,从过去研究的0.1~1 THz和3~10 THz范围拓展到1~3 THz,并且深入分析了金属结构的尺寸形状对其传感特性的影响。金属阵列结构几何形状一定时,几何尺寸增大则对应折射率灵敏度减小;而几何尺寸一定时,三角柱的折射率灵敏度最高且变化较大,其次方形柱,圆柱的变化最小,可见尖角结构对于金属阵列结构传感器的折射率灵敏度有提升作用。此研究有利于进一步发展应用广泛、灵敏度高的太赫兹传感器件,为基于局域表面等离子体共振理论的相关器件设计提供有效的参考,在生化医疗、气体监测等方面的气体传感应用上有一定的应用价值。