太赫兹(Terahertz,THz)波是一种具有特殊频段的电磁辐射,其波长范围介于微波和红外波段之间。因此,太赫兹辐射的研究处于电子学和光子学的交叉领域,其一系列的特殊性质引起了研究者们的广泛关注。近几十年来,超快激光技术和微纳尺度半导体技术的发展为太赫兹波源和探测器的研究提供了先进的解决方案,随之发展的太赫兹光谱和成像技术已在诸多领域实现了应用。例如,化学分析、环境检测、安全检查、无损检测、军事通讯和生物医学等。目前,在太赫兹波发射和接收模块的研究及应用上已相对较为成熟。但是,对于太赫兹系统中间环节的一些太赫兹传统器件,其结构的复杂性给器件带来了体积大、稳定性差等诸多劣势。因此,寻求实现结构简单又可行的太赫兹器件的解决方案已成为当下的研究重点。近年来,随着纳米加工工艺的不断发展,一些新兴的微纳光学研究领域应运而生。其中,超构表面(Metasurfaces)的提出和不断发展为实现轻薄且又稳定的电磁器件提供了新的设计思路。光学超构表面是一种由亚波长尺度谐振器在平面空间排布的二维人工材料。基于谐振基元可以类比于“超原子”(Meta-atom),其与入射电磁波因产生偶极子共振(Dipole Resonance)效应而实现对电磁波特性的调控。至今,研究者们已经将其应用到了诸多的光子器件当中,例如超薄透镜、涡旋光转换器、光学波带片、光束偏转器和偏振分束器。不仅如此,其在实现一些光学过程中也得到了应用,例如超全息(Meta-Holograms)、产生光子自旋霍尔效应和激发表面等离激元等。除此之外,研究人员将其在太赫兹器件上也展开过相关研究。但是,这些设计基本是基于金属型的谐振基元,无可避免地带来较大的欧姆损耗,从而使器件的工作效率大打折扣。此外,谐振基元的非完全对称性会给太赫兹器件带来偏振转化的影响,在一定程度上降低了器件性能。因此,设计由高效且无偏振转化谐振基元构成的超构表面来实现一些太赫兹器件变得尤为重要。我们首先提出了 一种由周期性排列的亚波长硅材料(n=3.4)交叉谐振器构成的透射式太赫兹超构表面。基于电磁偶极子共振理论,通过优化交叉谐振器的结构参数和方向,实现了在目标太赫兹频率下的几乎全相位2π的相位调控,并且传输效率达到了 90%以上。其次,基于以上的工作基础,我们又提出了一种由全相位调制的亚波长硅柱谐振基元构成的透射式太赫兹超构表面。基于谐振基元与入射太赫兹波发生偶极子共振而获得出射波相位梯度,实现了支持带宽为0.3 THz的宽带太赫兹波束偏转器。其中,谐振基元调制的透射率在94%以上。最后,我们将入射波频率为1.0 THz下具有高透射率(≥94%)和全相位2π调制的16个硅柱谐振基元,依照波前相位沿透镜径向梯度变化的规律排布,获得了轻薄且又具有双曲型相位轮廓的太赫兹平板透镜。对于以上两种器件,由于基元的圆柱结构具有完全对称的特性,使得偏转和聚焦波束的偏振态基本保持不变,从而可达到高质量的器件工作性能。以上所有设计和结果都利用了基于有限元方法(Finite Element Method,FEM)的数值仿真进行了验证,该可行的解决方案也为太赫兹系统的改进提供了新的途径。