高精度激光掃描顯微鏡

    高精度激光掃描顯微鏡-NESSIE是美國密歇根大學(xué)衍生公司MONSTR Sense Technologies潛心研制。開創(chuàng)性的設(shè)計(jì)使其外形小巧，組件靈活，可適配不同高度的樣品臺(tái)甚至是低溫光學(xué)恒溫器，實(shí)現(xiàn)低溫顯微成像。顯微鏡可處理波長(zhǎng)范圍廣，快速光柵式掃描可以在幾秒時(shí)間內(nèi)獲得一個(gè)高光譜圖像。特殊激光光路設(shè)計(jì)消除了激光掃描過程中的光束漂移，使其非常適合與該公司研發(fā)的全共線多功能超快光譜儀集成，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的材料表征功能，不僅可以實(shí)現(xiàn)高速、高精度激光掃描譜圖，還可以對(duì)感興趣的樣品位點(diǎn)進(jìn)行多維光譜數(shù)據(jù)采集。

設(shè)備特點(diǎn)

創(chuàng)新光路設(shè)計(jì)，適合集成

高精度激光掃描顯微鏡-NESSIE的輸入信號(hào)為單個(gè)激光光束，輸出信號(hào)為樣品探測(cè)點(diǎn)收集的單個(gè)反向傳播光束，這樣的光路設(shè)計(jì)確保了反傳播信號(hào)在掃描圖像時(shí)不會(huì)相對(duì)于輸入光束漂移，因而非常適用于激光的實(shí)驗(yàn)中的成像顯微鏡系統(tǒng)。

室溫GaAs量子阱成像。（a）白光成像；（b）激光掃描線性反射率測(cè)量，80 MHz激光（5 mW激光輸出）調(diào)諧到GaAs帶隙；（c）四波混頻激光掃描成像揭示了影響GaAs層的次表面缺陷。

靈活可調(diào)與穩(wěn)定性兼具

高精度激光掃描顯微鏡-NESSIE可適配不同高度的樣品臺(tái)和低溫光學(xué)恒溫器。其結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)顯微鏡組件整體提高，以清除高度從4″到8″的物體。物鏡中心與顯微鏡支架和外殼之間的間隙為5.5″，可實(shí)現(xiàn)不同尺寸形狀的低溫光學(xué)恒溫器的容納。

普通顯微鏡下安裝低溫恒溫器需要轉(zhuǎn)接板，往往會(huì)帶來樣品臺(tái)的不穩(wěn)定性，影響采集數(shù)據(jù)的品質(zhì)。高精度激光掃描顯微鏡-NESSIE采用了獨(dú)立的支撐和提升單元，保證了高度靈活可調(diào)的同時(shí)，也保持了嚴(yán)格對(duì)齊和高穩(wěn)定性，可以有效避免低溫恒溫器和其他設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)的干擾，對(duì)于在振動(dòng)的環(huán)境中生成高分辨率圖像至關(guān)重要。

激光掃描無光束漂移

普通激光掃描顯微鏡一般使用兩個(gè)相鄰X、Y掃描鏡來實(shí)現(xiàn)激光掃描。由于兩個(gè)鏡面均不在光學(xué)系統(tǒng)的像面上，光束在掃描圖像時(shí)發(fā)生漂移。高精度激光掃描顯微鏡-NESSIE的特殊設(shè)計(jì)將X、Y掃描鏡均置于像平面，使用拋物面鏡作為掃描鏡之間的中繼系統(tǒng)，可以消除物鏡后焦平面上的光束漂移。

消除漸暈

漸暈是視場(chǎng)圖像邊緣附近亮度降低的效應(yīng)，在顯微鏡中，漸暈會(huì)扭曲數(shù)據(jù)和縮小視場(chǎng)。激光掃描中掃描鏡近鄰安裝，是引入漸暈效應(yīng)的主要原因。高精度激光掃描顯微鏡-NESSIE的特殊光路設(shè)計(jì)可以消除了漸暈效應(yīng)對(duì)整個(gè)顯微鏡物鏡的視野的影響。

（a）漸暈效應(yīng)；（b）無漸暈的視場(chǎng)成像

可處理波長(zhǎng)范圍廣

寬頻光路設(shè)計(jì)，標(biāo)配可允許激光波長(zhǎng)在450-1100 nm 范圍，其他頻率的激光可選。

軟件可拓展性強(qiáng)

系統(tǒng)軟件靈活易用，可拓展性強(qiáng)?；贚abVIEW的軟件包，可將用戶自定義指標(biāo)與自帶的成像控制算法結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像生成。另外系統(tǒng)也配有基于API軟件包，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自帶代碼與用戶實(shí)驗(yàn)代碼的整合。

全共線多功能超快光譜顯微成像系統(tǒng)

高分辨激光掃描顯微鏡與全共線多功能超快光譜儀集成，形成功能強(qiáng)大的全共線多功能超快光譜成像系統(tǒng)?？纱钆涞蜏毓鈱W(xué)恒溫器，實(shí)現(xiàn)低溫多功能超快光譜成像。

光柵式掃描幾秒時(shí)間便可以獲得一個(gè)超快成像動(dòng)畫，幫助用戶迅速定位到感興趣的區(qū)域進(jìn)行高分辨的掃描成像。對(duì)于部分感興趣樣品位點(diǎn)，利用全共線多功能超快光譜儀，可以獲得每個(gè)樣品位點(diǎn)的全面的電子和振動(dòng)能級(jí)信息。

全共線多功能超快光譜顯微成像系統(tǒng)充分發(fā)揮了光譜儀和顯微鏡的優(yōu)勢(shì)，通過弛豫時(shí)間成像和多功能光譜成像，允許用戶分析樣品空間不均勻性與電子結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

MoSe₂/WSe₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)低功率低溫（6K）FWM積分成像光譜（a，b）和弛豫時(shí)間成像（c）

全共線多功能超快光譜顯微成像系統(tǒng)強(qiáng)大的材料表征能力，也可以應(yīng)用于工業(yè)制作環(huán)境中的非接觸式材料檢測(cè)，幫助制造商識(shí)別原材料品質(zhì)，避免缺陷材料應(yīng)用于設(shè)備。

常溫下，CVD生長(zhǎng)WSe₂薄片移相時(shí)間分布和FWM強(qiáng)度變化

應(yīng)用領(lǐng)域（全共線多功能超快光譜顯微成像系統(tǒng)）

高精度激光掃描顯微鏡提供整個(gè)顯微鏡物鏡視野的成像控制，包括：像素分辨率，掃描速率和聚焦區(qū)域。而全共線多功能超快光譜儀兼具共振和非共振超快光譜探測(cè)，并兼容瞬態(tài)吸收光譜、相干拉曼光譜、多維相干光譜探測(cè)。這兩款設(shè)備集成具有強(qiáng)大的多功能超快光譜顯微成像能力，可實(shí)現(xiàn)雙光子顯微成像、瞬態(tài)吸收成像、受激拉曼顯微成像、熒光壽命顯微成像、多維相干光譜顯微成像。

其中多維相干光譜顯微成像，基于非線性四波混頻FWM技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)超高分辨的5維數(shù)據(jù)采集，其成像系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1. FWM顯微成像超高空間分辨本領(lǐng)，可以進(jìn)行細(xì)微結(jié)構(gòu)成像

受到abbe衍射極限限制，激光掃描成像空間分辨率在940 nm，但基于全共線MDCS的非線性四波混頻FWM成像光譜，可將空間分辨率提高到540nm。

2. FWM顯微成像，明、暗激子空間分布可辨

激子是由受激電子和空穴由于庫侖引起的形成的束縛態(tài)，而暗激子，是電子與空穴的動(dòng)量不同，從而阻止了它們對(duì)光的吸收。相比于熒光光譜等探測(cè)技術(shù)僅對(duì)亮激子態(tài)敏感，非線性四波混頻，可實(shí)現(xiàn)暗激子的直接觀測(cè)與研究。

3. 不同延時(shí)FWM顯微成像，揭示耦合動(dòng)力學(xué)過程在空間的不同分布

探究空間不同位置四波混頻FWM信號(hào)隨泵浦延遲時(shí)間T的變化，可以獲得相干、非相干耦合動(dòng)力學(xué)過程在空間的不同分布。

4. FWM decay time map

Decay time map僅改變泵浦延遲時(shí)間T，對(duì)于T＞50ps的情況，可以獲得不同空間位置層間激子壽命信息。

測(cè)試數(shù)據(jù)

MoSe₂/WSe₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，PL積分光譜探究空間差異的應(yīng)力分布

MoSe₂/WSe₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，不同延時(shí)FWM顯微成像譜圖，揭示空間差異的動(dòng)力學(xué)演變過程

CVD獲得的WSe₂薄片，不同的FWM decay time map揭示激子的快、慢弛豫過程的空間差異

FWM hyperspectral map和FWM decay time map數(shù)據(jù)處理

（Data from Prof. Steve Cundiff lab at University of Michigan）

發(fā)表文章

1.  T. L. Purz et al., Imaging dynamic exciton interactions and coupling in transition metal dichalcogenides. J Chem Phys 156, 214704 (2022).

2.  T. L. Purz, B. T. Hipsley, E. W. Martin, R. Ulbricht, S. T. Cundiff, Rapid multiplex ultrafast nonlinear microscopy for material characterization. Optics Express 30, 45008 (2022).

相關(guān)產(chǎn)品

1、全共線多功能超快光譜儀