运动的带电粒子和物质之间的相互作用能产生辐射。这一现象在物理学、电子显微镜、光学、生物学和材料科学等领域都有着广泛的应用。这种自由电子激励的辐射很大程度上依赖于被激励物质的特性。人工电磁超材料具有很多天然材料所不具备的特性,在操纵辐射场特性方面有着独特的优势。因此研究自由电子和人工电磁超材料相结合来产生相干、可调谐、高功率密度的太赫兹（THz）辐射对THz辐射源的发展具有十分重要的科学价值。本文主要研究了自由电子与光子晶体、介质基底超表面、石墨烯超材料等人工电磁超材料结合产生可高效调控的太赫兹辐射相关工作。主要研究内容如下:1.当电子注掠过周期结构表面时能产生Smith Purcell辐射。Smith Purcell辐射的辐射频率与观测角度和电子束的速度有关,是非相干辐射。Smith Purcell辐射一直是产生THz辐射的一种重要的方法。科学家利用谐振腔或超辐射等方法解决非相干问题。左手材料中可以实现负折射,进而实现反向Cherenkov辐射和反向Doppler效应等许多反向的物理现象,因此本论文用具有负折射特性的光子晶体实现反向Smith Purcell辐射,并通过设计光子晶体结构实现对Smith Purcell辐射角度调控。本研究实现了电子激励的反向Smith Purcell辐射效应,揭示负折射材料中的又一反向物理现象。反向Smith Purcell辐射的研究对基于THz辐射源的发展具有重要的推动意义。2.同时本论文发现,自由电子束在均匀介质基底中同样可以实现反常Smith Purcell辐射。理论计算和电磁仿真结果表明,当电子速度超过均匀介质中的光速时,存在两种异常的Smith Purcell辐射:1)由电子束的超光速正常Doppler频移产生的特殊Smith Purcell辐射;2)由电子束的超光速反常Doppler频移产生的反常Smith Purcell辐射。本论文研究结果表明,可以通过调整电子速度以同时激发普通Smith Purcell辐射、特殊Smith Purcell辐射和反常Smith Purcell辐射。均匀正折射率介质中的这一物理现象实现了只有在负折射材料中才具有的反常Smith Purcell辐射效应,为自由电子产生单色多输出辐射源提供新思路。3.本论文使用周期性石墨烯双曲光栅结构实现了高效、无阈值的面内Cherenkov辐射。理论计算表明,由于石墨烯双曲光栅中存在双轴诱导的面内双曲特性,其中的电磁波相速度总是低于电子速度,因此能够产生无阈值的Cherenkov辐射。仿真结果表明石墨烯双曲光栅中面内Cherenkov辐射的功率比传统的基于石墨烯的双曲超材料体中面外Cherenkov辐射的功率大近两个数量级。通过调整石墨烯双曲光栅的结构尺寸、石墨烯化学势和自由电子能量,可以完全控制Cherenkov辐射角度和强度。4.为了研究自由电子激励石墨烯超材料的太赫兹特性,本文搭建了基于扫描电子显微镜和太赫兹时域光谱仪的SEM-TDS系统,实现了自由电子对石墨烯超材料太赫兹特性的精准调控。同时观测了不同石墨烯化学势的石墨烯超材料的太赫兹吸收率,与电磁模拟结果高度一致。由于扫描电子显微镜的电子束尺寸为纳米尺度,因此SEM-TDS系统可以实现对超材料的精确调谐。这一方法为实现片上集成、精确可调的太赫兹调制器件铺平了道路。5.本文还通过电磁模拟和实验研究了自由电子激励金光栅产生的局域表面等离子激元（Local surface plasmons,LSP）增强的Smith Purcell辐射。为了研究不同观察角度与辐射频率的关系,对蔡司EVO 18扫描电子显微镜进行改造,结合电控旋转位移台和光谱仪实现在光频段可120°旋转测量的光学探测系统。本文实验验证了自由电子平行激励金光栅产生的Smith Purcell辐射和自由电子斜入射激励金光栅产生的LSP增强的Smith Purcell辐射效应。并且分析了不同样品旋转角度在不同观察角度和电子能量下的LSP增强的Smith Purcell辐射光谱。自由电子激励金光栅产生LSP增强的Smith Purcell辐射的实验验证进一步解释了电子-物质相互作用机理,为自由电子产生增强的太赫兹辐射源发展奠定了基础。