太赫兹时域光谱通过测量亚太赫兹至几十太赫兹频率范围内的复数响应表征材料性质。在此频段内，通常可以观察到各种各样的谐振现象，例如固体材料中的电子以及声子激发。

为了得到材料的复数频率响应，通常会利用超短脉冲泵浦激光的非线性过程产生一个特定频率范围的太赫兹脉冲。太赫兹脉冲会在样品中透射以及被反射。随后，太赫兹波通过基于非线性技术的电光采样或者光电导天线利用超短探测脉冲进行采集，这样就能将太赫兹波的瞬时电场记录下来。探测光与太赫兹脉冲之间的时延使得采集到的数据可以用来重构完整的太赫兹波形中电磁场的幅度以及相位。与其他超快光学技术例如泵浦-探测光谱类似的是，其时间分辨率取决于探测光脉冲的宽度而并非光电探测器或者测量电路的带宽。 这就意味着太赫兹时域光谱可以观测到一个太赫兹脉冲周期内的波形变化。

图1. 太赫兹时域光谱测量结构图

来自飞秒激光器的脉冲序列被分为两束。其中能量较大的一束为泵浦脉冲；另一束作为探测光（探测脉冲），其后经过时间延迟系统作用于ＴＨｚ探测器。泵浦脉冲入射到ＴＨｚ发射器产生ＴＨｚ脉冲，而后透过样品，与经过时延系统的探测脉冲汇合后通过ＴＨｚ探测器，最后采用锁相放大器来探测其微弱的电场变化。通过控制时间延迟系统调节泵浦脉冲和探测脉冲之间的时间延迟，扫描这个时间延迟就可以获得 ＴＨｚ脉冲的时域波形。该波形经傅里叶变换之后，就可得到被测样品的频谱，对比放置样品前后频谱的改变，就可获得样品的透射率、折射率、吸收系数、介电常数等光学参数。