圖1. 太赫茲時域光譜測量結構圖

太赫茲時域光譜通過測量亞太赫茲至幾十太赫茲頻率范圍內的復數響應表征材料性質。在此頻段內，通常可以觀察到各種各樣的諧振現象，例如固體材料中的電子以及聲子激發。

為了得到材料的復數頻率響應，通常會利用超短脈沖泵浦激光的非線性過程產生一個特定頻率范圍的太赫茲脈沖。太赫茲脈沖會在樣品中透射以及被反射。隨后，太赫茲波通過基于非線性技術的電光采樣或者光電導天線利用超短探測脈沖進行采集，這樣就能將太赫茲波的瞬時電場記錄下來。探測光與太赫茲脈沖之間的時延使得采集到的數據可以用來重構完整的太赫茲波形中電磁場的幅度以及相位。與其他超快光學技術例如泵浦-探測光譜類似的是，其時間分辨率取決于探測光脈沖的寬度而并非光電探測器或者測量電路的帶寬。 這就意味著太赫茲時域光譜可以觀測到一個太赫茲脈沖周期內的波形變化。

來自飛秒激光器的脈沖序列被分為兩束。其中能量較大的一束為泵浦脈沖;另一束作為探測光(探測脈沖)，其后經過時間延遲系統作用于THz探測器。泵浦脈沖入射到THz發射器產生THz脈沖，而后透過樣品，與經過時延系統的探測脈沖匯合后通過THz探測器，最后采用鎖相放大器來探測其微弱的電場變化。通過控制時間延遲系統調節泵浦脈沖和探測脈沖之間的時間延遲，掃描這個時間延遲就可以獲得 THz脈沖的時域波形。該波形經傅里葉變換之后，就可得到被測樣品的頻譜，對比放置樣品前后頻譜的改變，就可獲得樣品的透射率、折射率、吸收系數、介電常數等光學參數。