太赫兹波（THz）特殊的频谱位置和独特的性质直接决定了其在电子通信、医疗及安检等领域的广阔技术应用和发展前景。虽然THz源和探测技术的快速发展为THz领域的研究打开了大门,但是在此波段相应功能器件的匮乏限制了对THz波的进一步利用。为研发基于THz频段的功能器件,本论文基于由亚波长人工介电单元组成的电磁超表面实现在THz频段的两个主要应用。一方面通过有源材料与编码超表面概念相复合设计动态可调控THz编码超表面。另一方面,利用入射THz波束在超表面上产生的局域电场增强效应,设计不同的THz超表面生物传感器实现对癌细胞的传感检测。本论文的主要工作包括以下内容:1.利用新型二维材料石墨烯与编码超表面复合设计研究了动态编码超表面。将石墨烯设计成微米带结构与金属谐振单元复合,通过控制石墨烯带的电压以及设计不同的金属谐振结构尺寸,实现了对高频THz波段大于290o的相位调制。基于相位分布设计了THz反射式聚焦元件及动态1-bit编码THz远场分束器。此外,还利用信息学的卷积定理定性解释了2-bit编码超表面的分束特性,增加了对编码超表面的设计自由度。2.利用刻蚀方法加工了编码序列为010101…\010101的全介质编码超表面,在非刻蚀面制备石墨烯薄膜并施加栅压,实验中测得的远场波束透射特性表明施加的栅压改变了远场波束的振幅,0.7 THz处位于20o附近的波束在外加电压达到35 V以后消失,这进一步证明了电压的施加有效实现了该频率下对此波束的开关功能,一定程度上实现了通过外加栅压对编码超表面远场波束的强度调控,为设计透射式编码超表面的开关特性提供了思路。3.设计基于电场共振开口谐振结构THz超表面生物传感器对癌细胞进行检测与传感。结果表明设计的谐振结构在0.85 THz处的相应表面电流和电场分布显示了非双各向异性的共振特征。同时,高达106V/m的强局域电场使超表面具有感知介电环境变化的能力。当药物浓度从1μM增加到15μM以及作用时间从24小时延长到72小时,频率偏移Δf在数值上都发生了减小。从细胞浓度与Δf变化关系可知在抗癌药物作用下,癌细胞数量发生了减少。这表明顺铂对HSC3细胞具有有效的杀伤作用并诱导了癌细胞的凋亡过程。生物CCK-8试剂盒法测量的结果与超表面生物传感器测量的Δf变化趋势一致,证明了我们设计的超表面生物传感器在检测癌细胞浓度及凋亡过程具备一定的可行性,并从新的角度为癌细胞凋亡过程提供了物理参考。4.此外,基于非镜面对称设计的各向异性共振超表面也可用于肝癌细胞Hep G2和肺癌细胞A549的浓度测定。当Δf在每个偏振情况下达到最大值时,细胞浓度都对应于最大浓度5×105 cells/ml。而且超表面的Δf和FPS在一定癌细胞浓度下随偏振角度的变化表明可以在无需引入任何抗体的条件下仅基于雷达图中的封闭形状来区分和检测肺癌细胞A549和肝癌细胞Hep G2。鉴定的最低浓度降低至1×104cells/m L,并且这种鉴定在细胞浓度范围从104到105较大数量级范围内都可以保持有效性。除此之外,基于连续小波变换（CWT）方法建立了一套标准的癌细胞二维消光强度卡用于进一步识别和测定无标记癌细胞A549和Hep G2。为癌细胞的快速检测和无抗体识别提供了可能,是未来非免疫生物传感技术的一种潜在选择。5.针对液体生物样品的快速原位检测,制备并研究了微流道集成超表面多功能器件。通过在该平台中注入有机液体产生耗尽层,实验中可用于水含量测定以及THz波的主动调制。流体耗尽层的阻尼效应与超表面的共振响应平行式耦合实现了对THz波透射强度接近90%的调制深度和超过210°的相位差。另外,由连续小波变换得到的时频联合分析还揭示了含水量变化时的能量损耗。该器件也可以作为传感器平台用于检测各种化学溶液中的残余水含量。在IPA溶液微量水含量测定中,检出限接近6%。这种特性在很大程度上将微流集成超表面平台的功能广泛推广于其他领域特别是在生物传感方面,为未来生物传感检测中的芯片集成实验室制备提供了思路和条件。