太赫兹波作为电磁波谱中位于远红外与微波之间的一种电磁波,在材料科学、成像、无损探伤、生物医学、高速通信等领域具有诸多潜在应用,吸引了科研工作者们的广泛关注。在材料科学研究领域,太赫兹技术是表征量子功能材料中准粒子行为的一种重要手段,对深入探索材料物性具有重要意义。为了更好地发展太赫兹技术,实现对太赫兹波的产生、调控和探测就成为了科研工作的紧迫任务。其中,实现太赫兹波调控的传统光学元件由于受传统材料电磁学物理常数的限制,其功能性有限且器件体积较大。因此,发展新的材料和器件以实现对太赫兹波紧凑、高效、多功能的调控,对太赫兹技术的发展具有重要意义。电磁超材料以及其二维表现形式超表面,可以在亚波长尺度表现出对器件电磁响应出色的调控特性,在光学调控器件设计中具有广泛应用。通过合理设计超表面的微结构单元可以实现多种电磁调控功能,如共振吸收、偏振转换、光束聚焦、涡旋光产生等。与传统光学调控方法相比,超材料可以做到极薄、功能可以人为设计、易于集成和加工,因此超材料在实现对电磁波的振幅、偏振、相位等参量的调控过程中具有巨大优势。然而,传统被动调控超材料由金属或电介质材料构成,其光学特性被超表面的微结构确定,因此只有单一的电磁调控性能,难以在外场激发下实现调控。相比之下,能够在外场激发下控制电磁调控性能的主动调控超材料可以大大拓展超材料在电磁调控中的应用领域。综上所述,本论文围绕太赫兹波段的主动调控超材料开展研究工作。涉及太赫兹波段的振幅、偏振、相位主动调控超表面的设计与研究,并通过电磁仿真和相关实验验证设计的超表面的功能性。本论文的主要章节内容如下:在第一章中对论文研究背景进行了综述。简单介绍了太赫兹波的产生和探测方式、太赫兹技术的应用以及实现太赫兹波的电磁多参量调控的科学意义。然后重点介绍了用电磁超材料实现太赫兹波段电磁波的振幅、偏振、相位调控方法,以及通过在超材料中引入主动调控介质实现的太赫兹波段主动调控方式。第二章简单介绍了在主动调控超材料设计中使用的几种电磁学数值计算方法,包括电磁波在自由空间中传播服从的标量衍射理论、电磁学有限元方法和时域有限差分方法的基本原理。并对这几种数值方法在求解不同电磁学物理问题中的优劣势进行了讨论,本论文后续工作中会根据求解的实际物理模型选用不同的数值计算方法。在第三章中提出了一种基于蓝宝石上硅薄膜材料的类光栅超表面结构,该结构不仅可以实现对宽谱太赫兹波的超快调控性能,同时也表现出非常好的偏振选择性。通过电磁仿真和基于光整流效应的太赫兹时域光谱系统和配套的光泵浦太赫兹探测系统验证了其功能性。在此基础上,利用太赫兹光谱平台,对不同工艺制备的超表面中硅的光生载流子复合动力学行为进行了深入分析。本章中提出的这种偏振选择器件可以在太赫兹波的宽谱超快调控中发挥重要作用。在第四章中提出了一种分别由硅和金组成的不同几何尺度的双开口谐振环结构,并利用这种结构分别在主动调控前、后实现了-π～π范围内任意的几何相位响应。在此基础上,设计了多种功能性的主动调控超表面,包括可任意主动改变焦点位置的平面超透镜、跨越宽频带指定频率主动消色差平面超透镜、可主动控制电磁波偏折角度的超表面等,并通过数值仿真和相关实验验证了这些超表面的功能性。本章中提出的这种微结构通过几何相位实现了不受波长限制且可预测的任意主动相位调控,对于电磁波的主动相位调控有重要意义。在第五章中,通过对耦合双开口谐振环电磁响应模式的深入分析,将其交叉偏振响应拆分成两种分别由硅开口谐振环和金开口谐振环正交控制的电磁响应模式。基于这种理论设计了多种可工作在线偏光入射下的主动几何相位调控超表面,如主动调控焦点圆偏光偏振态的超透镜、连续主动调控焦点线偏光偏振态的超透镜、主动调控多点线偏振聚焦超透镜等。除此之外,利用该双开口环结构实现了太赫兹涡旋光轨道角动量的主动调控。这些多功能的主动调控超表面在操纵太赫兹波的偏振和轨道角动量应用中有广泛的应用前景。