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太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)是目前太赫兹研究领域发展最成熟也是应用最广泛的光谱分析技术。在世界各国的实验室中，绝大多数太赫兹时域光谱实验都是在透射情况下进行的，这是因为透射测量方法更成熟并能给出更可靠的结果。但是，强吸收或者高电导率的样品必须通过反射才能测量，更重要的是，在某些情况下透射信号并没有包含样品的全部响应特征，因此需要同时进行透射和反射测量才能够完全(或者正确地)描述样品的电磁响应特性。另外，随着近年来太赫兹技术的快速发展，工作在这个波段的功能器件正在成为这个波段不可缺少的器件，如滤波器，衰减器，偏振片等。本论文的工作包括设计和构建同时具有透射和反射测量功能的太赫兹时域光谱系统，并且对若干太赫兹功能器件在理论和实验上进行了研究。论文工作所取得的主要成果如下：
设计并实现了同时具有透射和反射测量能力且入射角连续可控的太赫兹时域光谱系统，透射模式和反射模式之间通过一个复位镜切换。反射测量下的入射角从10°到75°连续可变，透射测量下入射角的下限为0°，上限取决于样品的大小和厚度。为了检验系统的工作性能，我们进行了一系列的验证实验和模拟计算。实验上测量的聚四氟乙烯和硅的反射率随入射角的变化与理论值非常符合，不同入射角下反射测量的聚四氟乙烯和硅的折射率与透射测量结果以及文献上报道的数据相符合。我们进行了一个基于α乳糖的模拟计算，比较了当太赫兹脉冲照射到样品上时，透射脉冲和反射脉冲各自的特点。并在此基础上讨论了各种误差来源对材料的光学参数提取精度带来的影响，这些误差包括入射角的误差和系统背景噪声等。我们还对结构材料的等效介质理论进行了讨论，利用一个基于劈裂共振环结构的模拟结果，说明了我们所发展的新系统在结构材料研究中的应用前景。
利用波带片的焦距与入射波的频率成正比这个特点，提出了一种基于波带片的太赫兹可调滤波器。我们将一个光阑放在波带片的后面，只有焦距等于波带片和光阑之间距离的电磁波才能顺利通过光阑，而其它频率的电磁波由于在光阑处的光斑太大而无法穿过光阑，或不能被光阑后面的光学系统有效收集。我们使用标量衍射理论对该滤波器的特性进行了理论分析和计算，并在太赫兹时域光谱系统上进行了实验演示。该滤波器的调节范围可以覆盖ZnTe上通过光整流产生的太赫兹脉冲的有效频谱范围(大约0.5THz到2.5THz)，并且便于调节，只需将波带片沿着太赫兹波的传播方向平移即可。该滤波器的峰值透过率为40％，带宽随着中心频率的不同而不同，一般在0.16THz到0.25THz之间。
通过实验测量、时域有限差分模拟和多重散射计算，对太赫兹波在一维金属线阵列中的传播特性进行了研究。太赫兹波可以以非常小的色散和接近真空中光速的速度在阵列中传播。我们的金属线阵列支持频率为c/d和2c/d的两种模式在金属线之间传播，这里c是真空中光速，d为相邻两根金属线轴线之间的距离。这两个模式的衰减分别为0.16dB/线和0.71dB/线。
对工作在太赫兹波段的角度调制的表面等离激元共振传感器进行了理论分析，并且与可见光波段的表面等离激元共振传感器作了比较。在光频段，由于入射光能量耦合到表面等离激元中，在角度反射谱上会出现一个反射极小峰。而在太赫兹波段，该反射谱上出现一个向上的尖峰。尖峰的位置只与棱镜和样品的折射率有简单的对应关系，而与金属层的种类与厚度无关。结果表明在太赫兹频率，样品折射率的计算方法比可见光频率要简单得多。这一工作和新建的可变角度太赫兹反射时域光谱系统结合，可以实现基于时域光谱分析的太赫兹表面等离激元共振探测能力，在生物和医学研究中具有独特的价值。