高精度激光掃描顯微鏡

    高精度激光掃描顯微鏡-NESSIE是美國密歇根大學衍生公司MONSTR Sense Technologies潛心研制。開創性的設計使其外形小巧，組件靈活，可適配不同高度的樣品臺甚至是低溫光學恒溫器，實現低溫顯微成像。顯微鏡可處理波長范圍廣，快速光柵式掃描可以在幾秒時間內獲得一個高光譜圖像。特殊激光光路設計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的全共線多功能超快光譜儀集成，實現強大的材料表征功能，不僅可以實現高速、高精度激光掃描譜圖，還可以對感興趣的樣品位點進行多維光譜數據采集。

設備特點

創新光路設計，適合集成

高精度激光掃描顯微鏡-NESSIE的輸入信號為單個激光光束，輸出信號為樣品探測點收集的單個反向傳播光束，這樣的光路設計確保了反傳播信號在掃描圖像時不會相對于輸入光束漂移，因而非常適用于激光的實驗中的成像顯微鏡系統。

室溫GaAs量子阱成像。（a）白光成像；（b）激光掃描線性反射率測量，80 MHz激光（5 mW激光輸出）調諧到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。

靈活可調與穩定性兼具

高精度激光掃描顯微鏡-NESSIE可適配不同高度的樣品臺和低溫光學恒溫器。其結構的特殊設計可實現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″，可實現不同尺寸形狀的低溫光學恒溫器的容納。

普通顯微鏡下安裝低溫恒溫器需要轉接板，往往會帶來樣品臺的不穩定性，影響采集數據的品質。高精度激光掃描顯微鏡-NESSIE采用了獨立的支撐和提升單元，保證了高度靈活可調的同時，也保持了嚴格對齊和高穩定性，可以有效避免低溫恒溫器和其他設備產生振動的干擾，對于在振動的環境中生成高分辨率圖像至關重要。

激光掃描無光束漂移

普通激光掃描顯微鏡一般使用兩個相鄰X、Y掃描鏡來實現激光掃描。由于兩個鏡面均不在光學系統的像面上，光束在掃描圖像時發生漂移。高精度激光掃描顯微鏡-NESSIE的特殊設計將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，可以消除物鏡后焦平面上的光束漂移。

消除漸暈

漸暈是視場圖像邊緣附近亮度降低的效應，在顯微鏡中，漸暈會扭曲數據和縮小視場。激光掃描中掃描鏡近鄰安裝，是引入漸暈效應的主要原因。高精度激光掃描顯微鏡-NESSIE的特殊光路設計可以消除了漸暈效應對整個顯微鏡物鏡的視野的影響。

（a）漸暈效應；（b）無漸暈的視場成像

可處理波長范圍廣

寬頻光路設計，標配可允許激光波長在450-1100 nm 范圍，其他頻率的激光可選。

軟件可拓展性強

系統軟件靈活易用，可拓展性強。基于LabVIEW的軟件包，可將用戶自定義指標與自帶的成像控制算法結合在一起，實現實時圖像生成。另外系統也配有基于API軟件包，實現系統自帶代碼與用戶實驗代碼的整合。

全共線多功能超快光譜顯微成像系統

高分辨激光掃描顯微鏡與全共線多功能超快光譜儀集成，形成功能強大的全共線多功能超快光譜成像系統。可搭配低溫光學恒溫器，實現低溫多功能超快光譜成像。

光柵式掃描幾秒時間便可以獲得一個超快成像動畫，幫助用戶迅速定位到感興趣的區域進行高分辨的掃描成像。對于部分感興趣樣品位點，利用全共線多功能超快光譜儀，可以獲得每個樣品位點的全面的電子和振動能級信息。

全共線多功能超快光譜顯微成像系統充分發揮了光譜儀和顯微鏡的優勢，通過弛豫時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構的關聯關系。

MoSe₂/WSe₂異質結構低功率低溫（6K）FWM積分成像光譜（a，b）和弛豫時間成像（c）

全共線多功能超快光譜顯微成像系統強大的材料表征能力，也可以應用于工業制作環境中的非接觸式材料檢測，幫助制造商識別原材料品質，避免缺陷材料應用于設備。

常溫下，CVD生長WSe₂薄片移相時間分布和FWM強度變化

應用領域（全共線多功能超快光譜顯微成像系統）

高精度激光掃描顯微鏡提供整個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，并兼容瞬態吸收光譜、相干拉曼光譜、多維相干光譜探測。這兩款設備集成具有強大的多功能超快光譜顯微成像能力，可實現雙光子顯微成像、瞬態吸收成像、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，可實現超高分辨的5維數據采集，其成像系統具有以下優勢：

1. FWM顯微成像超高空間分辨本領，可以進行細微結構成像

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，而暗激子，是電子與空穴的動量不同，從而阻止了它們對光的吸收。相比于熒光光譜等探測技術僅對亮激子態敏感，非線性四波混頻，可實現暗激子的直接觀測與研究。

3. 不同延時FWM顯微成像，揭示耦合動力學過程在空間的不同分布

探究空間不同位置四波混頻FWM信號隨泵浦延遲時間T的變化，可以獲得相干、非相干耦合動力學過程在空間的不同分布。

4. FWM decay time map

Decay time map僅改變泵浦延遲時間T，對于T＞50ps的情況，可以獲得不同空間位置層間激子壽命信息。

測試數據

MoSe₂/WSe₂異質結構中，PL積分光譜探究空間差異的應力分布

MoSe₂/WSe₂異質結構中，不同延時FWM顯微成像譜圖，揭示空間差異的動力學演變過程

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數據處理

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

發表文章

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).

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