CN220456871U - 一种基于铌酸锂晶体的高效率高重频太赫兹产生装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于铌酸锂晶体的高效率高重频太赫兹产生装置，包括光斑大小调控装置，22个的光学调节自由度，采取4f光学成像系统，采取直线光学布局；凸透镜L1和凸透镜L2构成光斑大小调控装置，用于提供铌酸锂晶体LN前的光斑大小调节自由度；凸透镜L3和凸透镜L4构成4f光学成像系统，以更小像差将光栅G1成像到铌酸锂晶体LN中的THz辐射平面。本实用新型设计了一种高达22个调节自由度的光学布局，而且结合4f成像系统，采取直线结构，光学架构非常简单，可操作性强，调节方便。
Description
技术领域
本实用新型属于超快太赫兹波产生技术领域，特别涉及一种基于铌酸锂晶体的高效率高重频太赫兹产生装置。
背景技术
基于铌酸锂晶体实现飞秒激光的光整流，从而辐射太赫兹的方法是目前常用的一种太赫兹源，其产生效率依据泵浦飞秒激光的单脉冲能量不同，最高记录可达3.7％的转换效率。但这是在高泵浦能量(1mJ/pulse)下才能达到的转换效率，而在高重频低泵浦能量下(1uJ/pulse量级)，由于单脉冲能量太低，转换效率往往很难突破1×10-4量级。
另一方面，基于铌酸锂晶体辐射太赫兹的方法需要倾斜脉冲波阵面来实现相位匹配才能实现高效率辐射，相关的光学布局需要严格控制光线的角度和色散关系，需要很多的调节自由度，光学元件的参数选择也大有讲究，而目前大部分的实验结构简单，调节复杂，而且并没有系统总结过铌酸锂架构的基本原理方法。
太赫兹扫描隧道显微镜(THz-STM)是一种耦合太赫兹波到STM针尖，通过提取太赫兹诱导产生的隧穿电流信号，对材料表面的粒子，准粒子动力学行为进行探测的一类STM。THz-STM同时结合了THz超快分辨和STM空间分辨的特点，能在100fs和0.1nm的时空尺度上对表面的超快物理过程进行观测，是当前材料基础研究中一类重要的科学仪器。THz-STM耦合所需的太赫兹需要满足低光子能量，高重复频率，波形高非对称性等条件，以减小耦合针尖时候产生的热效应，提高隧穿电流的诱导效率和信噪比。基于铌酸锂晶体的光整流效应辐射太赫兹的方法产生的THz波形非对称性好，功率稳定，相位稳定，诱导产生的THz隧穿电流信号信噪比高，是THz-STM系统中广泛使用的太赫兹源。然而，高重频低泵浦条件下产生太赫兹的转换效率却非常低，相比高泵浦单脉冲能量(1mJ/pulse)，低泵浦能量下(1uJ/pulse)的产生效率很难达到1×10-4，因此需要昂贵的高重频高功率源以产生可观的太赫兹辐射。80W的掺镱激光器相比20W的版本价格已经提高了4倍，因此发展高效率高重频太赫兹源是降低THz-STM系统研发成本的重要部分。
在当前的一些基于铌酸锂太赫兹源的THz-STM系统中，它们采取重频可变(0.5MHz-41 Mhz)的1032nm商用掺镱(Yb)激光器，泵浦脉冲能量在0.5uJ/pulse-40uJ/pulse范围内可变，飞秒脉冲宽度250fs，通过分光镜一部分用于电光采样探测，一部分用于产生THz。产生THz的一路通过进一步分为两束泵浦激光，其中一束经过电动位移台用以调节光程，另一束以很小的空间差异与之一起入射到铌酸锂架构中，产生太赫兹辐射并耦合到STM针尖。在这种铌酸锂架构中，使用了半波片来改变泵浦光的偏振方向，采取了镀有1030nm增反膜，光栅常数1500线/mm的反射式光栅，结合4f成像系统达到相位匹配，实现了THz的高效率辐射，辐射转换效率最高可达2.2×10-4，对应泵浦单脉冲能量为40uJ。但是，现有技术在低泵浦能量(uJ/pulse)太赫兹辐射效率仍旧较低，且优化THz辐射效率较为麻烦，同时现有技术缺乏完整的理论指导，只给出实验结果。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型在系统研究铌酸锂晶体辐射方法的基础上，经过广泛调研，从原理上分析了应用铌酸锂晶体辐射太赫兹的器件选择和调节方法，提供一种基于铌酸锂晶体的高效率高重频太赫兹产生装置，其为一套完整的搭建铌酸锂系统的方案，并且设计了高达22个自由度的调节光路，极大方便了THz辐射效率的优化，调节简单，迁移性强。本实用新型通过添加光斑大小调节装置改变在铌酸锂晶体入射面处的光功率密度，极大提升了在高重频低泵浦能量条件下太赫兹的辐射效率，在28.4℃，40％湿度情况下达到了4.5×10-4的转换效率(20uJ泵浦能量，0.5208MHz重复频率)，在高重频太赫兹产生领域达到了国际先进水平，光斑大小调节装置的引入提高了近50％的转换效率。所产生光斑为椭圆，时域波形中心频率1THz，带宽2THz。
为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于铌酸锂晶体的高效率高重频太赫兹产生装置，包括光斑大小调控装置，22个的光学调节自由度，采取4f光学成像系统，采取直线光学布局；包括镀增透膜的凸透镜L1，凸透镜L2，凸透镜L3，凸透镜L4；凸透镜L1的焦距F1为100mm，凸透镜L2的焦距F2为50mm，凸透镜L1和凸透镜L2组合成伽利略式望远镜，构成光斑大小调控装置，用于提供铌酸锂晶体LN前的光斑大小调节自由度；凸透镜L3的焦距F3为150mm，凸透镜L4的焦距F4为100mm，凸透镜L3和凸透镜L4构成4f光学成像系统，以更小像差将光栅G1成像到铌酸锂晶体LN中的THz辐射平面。
进一步地，凸透镜L1，凸透镜L2，凸透镜L3，凸透镜L4均安装在高精度三维位移台上，均具有x,y,z三个方向的3个自由度可调节；还包括镀增反膜的反射镜M1、反射镜M2，反射镜M1安装在普通的二维调节架上，用于改变光路方向，反射镜M2安装在高精度二维位移台和旋转台上的二维调节架上，具有x,z两个方向位移自由度以及旋转自由度和二维调节架的2个自由度共5个自由度可调节，用于调整到光栅G1的入射光束的方向和位置。
进一步地，所述光栅G1是透射式闪耀光栅，闪耀角为55.5°，光栅常数为1600线/mm，光栅G1安装在结合旋转台的高精度三维位移台上的光栅安装架上，具有x,y,z三个方向的位移自由度以及旋转自由度和安装架本身的2个调节自由度共6个自由度，用于引入角度色散，从而倾斜入射光的波阵面，以在铌酸锂晶体LN中与THz辐射平面重合。
进一步地，所述铌酸锂晶体LN掺杂有0.6％的MgO，顶角为63°，安装在结合旋转台的高精度位移台上，具有x,y,z三个方向的位移自由度和旋转自由度共4个自由度，用于提供THz辐射的非线性整流晶体介质环境。
进一步地，凸透镜L2在轴向可移动，提供一个调节铌酸锂晶体LN表面光斑大小的自由度，L是组成伽利略式望远镜的两个凸透镜L1和L2之间的间距，在F1+F2＝150mm附近可调；光线从反射镜M2反射到光栅G1的角度θi经过为56.6°，光栅G1的摆放角度是一级衍射角θr，为54°。光栅G1距离凸透镜L3的距离为焦距F3＝150mm，凸透镜L3距离凸透镜L4的距离为F3+F4＝250mm，凸透镜L4距离铌酸锂晶体LN的距离为F4＝100mm。
进一步地，根据光斑大小调控装置提供的自由度调节铌酸锂晶体LN前的光斑大小，反射镜M2处的5个自由度调节光栅G1入射光的位置和角度，光栅G1的6个自由度和凸透镜L3,凸透镜L4，铌酸锂晶体LN的10个自由度控制相互之间的距离以尽可能接近理论计算数值。
有益效果：
(1)本实用新型通过引入光斑大小调节装置，显著提升了辐射效率，本实用新型提高了辐射效率因此对激光器的功率要求降低，降低了系统搭建成本；
(2)本实用新型设计了一种高达22个调节自由度的光学布局，而且结合4f成像系统，采取直线结构，光学架构非常简单，可操作性强，调节方便；
(3)本实用新型从基础原理出发，给出了一个完整的高迁移性，高实用性的铌酸锂系统解决方案。
附图说明
图1为本实用新型装置的整体结构图；
图2为铌酸锂晶体辐射THz的动量匹配示意图；
图3为脉冲波阵面倾斜示意图；
图4为闪耀光栅示意图；
图5为1030nm中心波长泵浦光计算最佳匹配的光栅常数结果；
图6为满足相位稳定条件和强度匹配条件的铌酸锂系统示意图；
图7为电光采样方法提取THz时域波形示意图；
图8a为本实用新型产生的THz光斑；
图8b为电光采样方法测量的THz时域波谱示意图；
图9a为比较有无光斑大小调控装置下的THz辐射效率示意图；
图9b为比较有无光斑大小调控装置下的THz辐射功率示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本实用新型的一种基于铌酸锂晶体的高效率高重频太赫兹产生装置从以下几个环节具体实现：
(1)推导铌酸锂倾斜波阵面方法的基本原理，给出基于铌酸锂晶体的高效率高重频太赫兹产生装置的一般实现方案，结合自身的硬件平台条件，按照理论指导给出实际的搭建方案。
(2)按照理论指导方案，依据自身平台系统进行搭建，针对辐射的THz(太赫兹)功率，THz光斑形貌，THz波形等方面进行展示；
(3)对比光斑大小调控装置加入与否的辐射效率，证明本实用新型的方案在传统方案基础上提升了辐射效率。
具体地，铌酸锂倾斜波阵面方法基本原理为：
铌酸锂倾斜波阵面产生THz的原理是基于电光晶体中的二阶非线性整流效应，具体而言，对于任意的二阶非线性电光晶体，当照射电场后，其极化分量可以表达为：
其中，∈0是真空中介电常数，是入射电场强度，χ(1)是一阶极化分量系数，χ(2)是二阶极化分量系数，χ(3)是三阶极化分量系数，/>是一阶，二阶，三阶极化分量场。
对于频率相近的两个信号的叠加ω1,ω2；
其中，E1是第一个信号的电场强度，E2是第二个信号的电场强度，t是时间变量，c.c.是它们的复共轭。
二阶极化分量等于：
其中，是对应电场强度的复共轭；
差频项(DFG)输出是本实用新型所需要的量，以这个极化量作为辐射的输出即为太赫兹输出P(ω2-ω1)。DFG过程中，需要同时满足能量守恒和动量守恒：
其中，是普朗克常量，ω1,ω2是进行DFG过程的两个相近频率的平面波的频率，是它们对应的波矢，Ω和/>分别是DFG过程中产生的差频分量频率和波矢。进一步，考虑：
于是有：
其中，ni,i＝1,2,Ω是对应频率下中铌酸锂晶体的折射率，则是对应分量波矢的单位矢量。
由于在铌酸锂晶体中，THz和泵浦光的折射率差异很大，无法实现共线的动量匹配，因此动量匹配条件要求THz的传播方向与铌酸锂中泵浦光的传输方向存在一定夹角θ，如图2所示，结合公式(5)、(6),这个夹角由下式给定：
其中，vTHz是辐射THz的相速度，vgroup是泵浦光在铌酸锂晶体中的群速度。
通过查阅1030nm和THz频段范围内的铌酸锂晶体中其对应的群折射率和折射率可以计算出铌酸锂晶体的相位匹配角θ＝γ0＝63度。如此大的相位匹配角，很难在实验上实现有效的辐射，Hebling课题组在这个方面做了大量研究，他们指出有效的铌酸锂辐射需要满足两个条件：一个是相位稳定条件，要求相位零色散的平面，也就是泵浦激光的脉冲波阵面需要倾斜来与THz辐射平面重合，另一个条件是强度匹配条件，要求在这个波阵面上要有足够强的光强。
在相位稳定条件中，脉冲波阵面需要进行一定角度的倾斜，如图3所示，实线阵列表示脉冲光的等相位面，其波矢代表了波的传输方向，与z轴夹角为ε。虚线表示脉冲波阵面的位置，与等相位面存在一定倾斜角γ,其对应法线方向矢量为/>
从数学角度讲，脉冲波阵面被定义为相位不发生色散的那些点组成的平面，这个平面上每一点的相位在不同频率下都是相同的，保证了THz出射相位的稳定和相干叠加。
φ-φ0＝ωt-kxx-kzz (8)
其中，φ是所考虑平面波的实时相位，φ0是初始相位，ω是波包的中心频率，kx,kz分别是中心波长对应在x,z方向上的波矢分量。
则波矢方向的斜率m和脉冲波阵面法向量的斜率mg：
当入射角度沿着z方向时，kz＝k，波矢与z方向的夹角ε的初始值为0，于是脉冲波阵面法向量的斜率mg简化为：
倾斜波阵面匹配需要满足，脉冲波阵面倾斜后与THz辐射平面一致：
其中，n是中心波长(1030nm)光在铌酸锂中的折射率，ng是群折射率，λ是中心波长1030nm，γ0＝63度是铌酸锂晶体的顶角也是THz辐射平面与等相位面夹角。
公式(13)为实现相位匹配飞秒脉冲光所必须满足的色散条件，为了满足该色散条件，需要在光路中引入角度色散，引入角度色散可以借助闪耀光栅，如图4所示，闪耀光栅的光栅方程为：
其中，θi,θr分别是闪耀光栅的入射角度和一级衍射角度，λ是入射波长，p是光栅常数。
利特如角度是指入射角与一级衍射角相等时的情形，对应着图4中闪耀光栅的闪耀角γ，此时满足：
从公式(14)可知，闪耀光栅引入的角度色散是：
其中，θr是闪耀光栅的衍射角度，d∈代表了衍射角度的微分。
在强度匹配条件中，需要设计一个成像系统，将光栅的像成像到脉冲波阵面上，以满足脉冲波阵面取得最大的脉冲光功率密度，成像系统等效于引入一个横向放大倍数M，结合对中心波长折射率为n的铌酸锂的镜面成像，二者都对角度色散有一定影响，因此结合成像系统的铌酸锂架构总体角度色散：
其中，p是光栅刻度线间距，θr是闪耀光栅的衍射角度，利用这个色散关系，结合公式(13)，可以得出第一个条件决定的限定关系：
在强度匹配条件中，需要让照射到光栅上的光要尽可能都用于THz辐射，因此需要让光栅的像与THz辐射平面重合，要求闪耀光栅的一级衍射角度θr需要满足一定条件：
tan(γ0)＝tan(θr) M
这是第二个约束条件，于是完整的条件变为：
tan(γ0)＝tan(θr)n M (19)
其中，衍射角θr需要在利特如角度γ±10°范围光栅才能取得良好的衍射效率：
当波长λ给定的时候，铌酸锂晶体中，变化光栅间距p时候，入射角和衍射角会依赖光栅方程(21)而变化，光栅方程的正弦函数限定条件会导致并非所有的光栅线数都有匹配的角度，因此针对不同的波长的光，需要适配对应的光栅线数以及横向放大倍数M。
本实用新型基于1030nm，200fs的商用飞秒脉冲激光器，搭建高重频高效率太赫兹源。按照相位稳定条件和强度匹配条件的理论分析，针对公式(19)-公式(21)提及的限定条件，对1030nm中心波长的飞秒脉冲光，查询对应的折射率，群折射率，匹配角等参数，通过变化光栅线数可以计算出合适的光栅常数。从图5可知，对于1030nm的脉冲光，闪耀光栅的线数在1400-1700线的范围内都可以实现比较好的匹配效果(理论最佳曲线和利特如角度±10°曲线的交点)，但是对于反射式光栅，需要选择入射角与衍射角角度差异较大的组合才能有效进行光学布局，因此应该选择1500线/mm或1700线/mm。对于透射式光栅，由于入射光和衍射光分居光栅两侧，因此对入射角与衍射角没有限制，1600线/mm的选择是能使衍射效率达到最高的选择。
本实用新型设计的装置基于1600线/mm的透射式闪耀光栅进行搭建。在图5中，理论最佳曲线是利用公式(19)-公式(21)，变化光栅常数p，绘制计算的入射角θi结果得到。利特如角度曲线和利特如角度±10°曲线是通过利用公式(21)，变化光栅常数p，然后分别取θr＝γ,γ±10°计算对应的θi得到。入射角禁区对应违背公式(21)情况的那些光栅常数范围。在所有计算中，中心波长λ＝1030nm的激光在铌酸锂晶体中的折射率n＝2.2342，群折射率ng＝2.3019，顶角γ0＝63°
本实用新型选择透射式光栅，光栅常数p为1600线/mm，从式(19)或式(20)可推导出最佳的横向放大倍数M约为0.6511，本实用新型以像差小的4f系统作为横向放大倍数的实现机制，因此选择F4/F3＝2/3的两个透镜来实现成像匹配，具体而言选择焦距F4＝100mm,F3＝150mm的圆凸透镜，整体的铌酸锂基础架构如图6所示。在图6中，G1代表光栅，光栅常数p为1600线/mm，L3和L4代表两个凸透镜，凸透镜L3的焦距F3，凸透镜L4的焦距F4分别是150mm和100mm，LN是铌酸锂晶体，顶角γ＝63°。θi,θr分别是光栅G1的入射光与光栅G1法线的角度和一级衍射光与法线的角度，δθ是描述了中心波长λ0＝1030nm的波包在经过光栅G1后发生的角度色散。这些元件之间的连接关系已在图中标出，其中光栅G1的功能是对脉冲波阵面(黑色椭圆)进行倾斜以匹配THz辐射平面，凸透镜L3结合凸透镜L4构成4f成像系统，功能是将光栅成像到THz辐射平面，确保铌酸锂晶体LN中THz的有效辐射。
这个铌酸锂架构中，光栅的入射角度，光栅的衍射角度，圆透镜的聚焦位置，晶体上的聚焦位置，各光学元件之间的间距等多种因素都会严重影响太赫兹的辐射效率，因此必须对这些优化条件都设置足够高的自由度来进行调节优化。在此基础上，本实用新型额外增加了光斑大小调节装置，具体而言采取伽利略式望远镜设计，可以通过调节凸透镜L4的成像距离来调节高斯波束在晶体表面的入射光功率密度，后续实验表明，这种设计额外提供的光功率密度自由度，可以显著提升太赫兹辐射效率。通过这种结合了伽利略式望远镜改变光斑大小的铌酸锂架构，可以辐射出典型的THz，其整体架构如图1所示。
进一步，通过太赫兹相机和搭建电光晶体采样结构，可以测量本实用新型产生的THz光斑及其时域波形，电光采样结构如图7所示，包括焦距为150mm的凸透镜L5，焦距为100mm的凸透镜L6，带通孔的离轴抛物面镜P1，允许来自凸透镜L5的汇聚光通过；还包括镀增反膜的反射镜M3，反射镜M4，反射镜M5；安装在旋转镜架上的1mm厚度ZnTe晶体T1，安装在旋转镜架上的1030nm波段的λ/4玻片T2，沃拉斯顿棱镜T3；差分平衡光电探测器BP，锁相放大器LK。各元件连接关系已在图中表示，其中，凸透镜L5和离轴抛物面镜P1将THz和1030nm的探测光同时聚焦到1mm厚度ZnTe晶体T1的ZnTe晶体上用于进行电光取样。凸透镜L6将凸透镜L5会聚光变为准直光，λ/4玻片T2将线偏振光变为圆偏振光，沃拉斯顿棱镜T3将圆偏振光垂直偏振和水平偏振的两个分量分分离用于差分探测，差分平衡光电探测器BP的差分探测的信号输入到锁相放大器LK用于THz时域光谱信号提取。
如图8a，图8b所示，椭圆型的光斑与文献报道的铌酸锂晶体辐射情况是类似的，产生THz带宽在2THz左右，峰值在1THz左右，也与文献报道一致。
对比传统方案，验证光斑大小调控装置对辐射效率的提升效果如下：
本实用新型核心的创新之处是在传统铌酸锂架构的基础上，通过引入伽利略式望远镜结构调节晶体前的光斑大小，从而调节其光功率密度，极大提升了THz的产生效率，提高幅度达50％。
在本实用新型中，太赫兹的产生效率是指晶体前的飞秒激光单脉冲能量到辐射出的THz单脉冲能量的转换效率，利用功率计测量晶体前的飞秒激光功率和辐射出的THz功率，可以得出特定泵浦能量下的转换效率。THz的平均功率是利用Gentec公司的THZ9B-BL-DZ+T-Rad型号的THz功率计测量离轴抛物面镜焦点处的THz功率，测量温度是28.4℃，湿度是40％(湿度对于THz的影响特别高，因此对转换效率影响也特别高，对比应当在同一湿度下进行)。因此，可以对比有无光斑调节装置下最佳优化情况的THz转换效率。如图9a,图9b所示，在光斑大小调控装置加入后，在同等泵浦能量下(20uJ)，辐射THz的能量和效率均提高了50％，而且相比2021年Abdo等人发表在ACS Photonics上的THz辐射系统，它们的装置太赫兹辐射效率大概是1×10-4，而本实用新型能做到4.5×10-4。
本实用新型的系统辐射效率明显提高。在同等条件下，通过引入光斑大小调节装置，相比没有该装置的铌酸锂架构，提高了50％的辐射效率，高辐射效率大大降低了THz-STM系统中激光器的功率要求，系统搭建成本降低。如图1，本实用新型的架构采取了大量的精密调节位移台，总共有22个自由度可供铌酸锂架构优化THz辐射效率，而且本实用新型采取4f系统，只需要确认圆透镜的焦距参数，不用再去调节透镜的最佳距离，直线结构也大大简化了THz辐射效率的优化，这也是本实用新型能实现高辐射效率的关键原因。本实用新型通过广泛调研，给出了铌酸锂辐射基础理论的推导，给出了公式(19)-公式(21)，对铌酸锂系统的光学元件参数选择给出了关键性指导，使得这套系统具备高迁移性，无论是何种波长，何种成像系统，都可以采取这个推导公式计算出最佳的光学元件参数，因此对800nm，1550nm等其他波长的光学系统可以按照本实用新型方法进行技术迁移。
本实用新型的光斑大小调节装置采取伽利略式，也可以有开普勒式等其他形式的光斑大小调节方法，重点之处在于光斑大小可调，从而入射到晶体表面的光功率密度可调。
本实用新型在4f系统和光栅等元件的配合问题上采取了多种高精密位移台联动，这些精密位移台设计可以省略一些，可以不采取直线式结构，可以用多个反射镜折返，但是调节便捷度会下降。
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
在本光学平台的商用激光器(激光中心波长1030nm，脉冲宽度200fs，重频0.5208MHz)的基础上，通过图5的计算给出最佳的透射光栅光栅常数p是1600线/mm,横向放大倍数M是0.6511，所使用4f系统的圆透镜参数是F 150mm和F 100mm，伽利略式望远镜的透镜参数选择是F 100mm和F 50mm，通过高精度位移台调节装置，旋转装置等精密装置提供了高达22个光学调节自由度，因此结合这些参数可以搭建以下光路，如图1。由此光学系统产生的THz的光斑，波形，转换效率，功率等参数如图8a,图8b，图9a,图9b所示。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于铌酸锂晶体的高效率高重频太赫兹产生装置，其特征在于，包括光斑大小调控装置，22个的光学调节自由度，采取4f光学成像系统，采取直线光学布局；包括镀增透膜的凸透镜L1，凸透镜L2，凸透镜L3，凸透镜L4；凸透镜L1的焦距F1为100mm，凸透镜L2的焦距F2为50mm，凸透镜L1和凸透镜L2组合成伽利略式望远镜，构成光斑大小调控装置，用于提供铌酸锂晶体LN前的光斑大小调节自由度；凸透镜L3的焦距F3为150mm，凸透镜L4的焦距F4为100mm，凸透镜L3和凸透镜L4构成4f光学成像系统，以更小像差将光栅G1成像到铌酸锂晶体LN中的THz辐射平面。
2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂晶体的高效率高重频太赫兹产生装置，其特征在于，凸透镜L1，凸透镜L2，凸透镜L3，凸透镜L4均安装在高精度三维位移台上，均具有x,y,z三个方向的3个自由度可调节；还包括镀增反膜的反射镜M1、反射镜M2，反射镜M1安装在普通的二维调节架上，用于改变光路方向，反射镜M2安装在高精度二维位移台和旋转台上的二维调节架上，具有x,z两个方向位移自由度以及旋转自由度和二维调节架的2个自由度共5个自由度可调节，用于调整到光栅G1的入射光束的方向和位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂晶体的高效率高重频太赫兹产生装置，其特征在于，所述光栅G1是透射式闪耀光栅，闪耀角为55.5°，光栅常数为1600线/mm，光栅G1安装在结合旋转台的高精度三维位移台上的光栅安装架上，具有x,y,z三个方向的位移自由度以及旋转自由度和安装架本身的2个调节自由度共6个自由度，用于引入角度色散，从而倾斜入射光的波阵面，以在铌酸锂晶体LN中与THz辐射平面重合。
4.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂晶体的高效率高重频太赫兹产生装置，其特征在于，所述铌酸锂晶体LN的顶角为63°，安装在结合旋转台的高精度位移台上，具有x,y,z三个方向的位移自由度和旋转自由度共4个自由度，用于提供THz辐射的非线性整流晶体介质环境。
5.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂晶体的高效率高重频太赫兹产生装置，其特征在于，凸透镜L2在轴向可移动，提供一个调节铌酸锂晶体LN表面光斑大小的自由度，L是凸透镜L1和凸透镜L2之间的间距，L在F1+F2＝150mm附近可调；光线从反射镜M2反射到光栅G1的角度θi经过理论计算为56.6°，光栅G1的摆放角度是一级衍射角θr，为54°；光栅G1距离凸透镜L3的距离为焦距F3＝150mm，凸透镜L3距离凸透镜L4的距离为F3+F4＝250mm，凸透镜L4距离铌酸锂晶体LN的距离为F4＝100mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂晶体的高效率高重频太赫兹产生装置，其特征在于，根据光斑大小调控装置提供的自由度调节铌酸锂晶体LN前的光斑大小，反射镜M2处的5个自由度调节光栅G1入射光的位置和角度，光栅G1的6个自由度和凸透镜L3，凸透镜L4，铌酸锂晶体LN的10个自由度控制相互之间的距离以尽可能接近理论计算数值。
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