太赫兹辐射是一种新型优异的电磁辐射,在太赫兹成像、太赫兹通信、生物医学频谱分析等领域都具有十分广阔的应用前景。设计制作高效且稳定的太赫兹辐射源是推动太赫兹科学技术进步的一项关键核心技术。基于Smith-Purcell辐射原理的太赫兹辐射源器件作为一种有效的太赫兹源成为了国内外的研究热点。在目前的研究中,金属光栅结构上的Smith-Purcell辐射是一种经典的电磁辐射。当运动电子束团通过周期金属光栅表面时会产生电磁辐射,但是,金属光栅结构中产生的电磁辐射会向各个方向发射,在实际应用中不便控制,且金属光栅结构的色散较强,产生的辐射强度较低。另一方面,用于产生太赫兹辐射源的传统金属光栅结构一经加工完成,其功能将不易改变,无法根据实际情况调节辐射电磁波的特性。基于此方法设计可调的太赫兹辐射源仍需进一步地研究。新型二维材料具有可调控的光电属性、超宽的工作带宽、较高的电子迁移率以及半导体工艺可兼容等优点,若将新型二维材料引入太赫兹辐射源结构,可通过控制其外部参数实现可调。本论文的主要目的是利用二维材料的可调特性,设计高效、稳定、可调谐的太赫兹辐射源。本文的主要研究内容和成果如下:(1)针对金属光栅色散较强的问题,设计了一种可以产生定向、高强度太赫兹辐射的新型超表面结构。该辐射源是由金属贴片-介质-金属组成的三层结构,通过自由电子激光器生成的电子束团激励超表面结构来产生太赫兹频段的Smith-Purcell辐射场。结果表明,超表面结构产生的Smith-Purcell辐射具有90度定向辐射特性,其辐射强度能达到传统金属光栅产生太赫兹辐射强度的5倍。当电磁波垂直入射时,超表面结构在0.5 THz处发生强烈的共振,在共振频率处的Smith-Purcell辐射频谱强度明显提高、带宽较窄。这种共振频率处的Smith-Purcell辐射强而窄,是传统金属光栅无法产生的。该超表面结构的研究将为开发电子束驱动的高强度、定向辐射的太赫兹辐射源提供重要的指导意义和参考价值。(2)基于新型二维材料石墨烯的化学势可调性,设计了一种可调石墨烯超表面太赫兹辐射源结构。通过外加电压调节石墨烯的化学势,不仅可以控制Smith-Purcell辐射的频率,而且可以完全控制辐射波的幅度和方向。辐射频率始终与石墨烯超表面结构在垂直入射时的共振频率相同。在共振频率下,对于更高的吸收将获得更高的辐射。石墨烯超表面结构的辐射强度可以达到传统金属光栅产生的太赫兹辐射强度的2.4倍。当周期性的电子束激发石墨烯超表面结构时,辐射将得到极大地增强。此外,石墨烯超表面结构采用对称设计,具有极化不敏感的特性,能够在多种场合中应用。(3)基于二硫化钼的可调特性,设计了一种近红外波段的可调介质加载金属光栅辐射结构。该辐射源是由二硫化钼片-介质-金属底板组成的三层结构,合理设计移动电子束团的初始能量,可激励介质加载金属光栅在频点550 THz处产生辐射,对比光栅结构引入二硫化钼和不引入二硫化钼的情况,结果表明引入二硫化钼的结构能够产生更高强度的辐射,并且改变二硫化钼的外加栅极电压,可得到频率可调的辐射源。提出双周期结构的介质加载金属光栅,双周期结构在结构有限的情况下,能够增加偶极子的数量,增强注波互作用,改变辐射强度和辐射频率,与单周期结构相比,辐射强度明显增强。此外,介质加载金属光栅的槽深度、宽度的变化,介电常数的变化,都会影响结构的色散曲线,即影响二硫化钼表面等离子激元的频率,进而影响产生电磁辐射的频率。