全共线多功能超快光谱仪

   全共线多功能超快光谱仪-BIGFOOT是美国密歇根大学衍生公司MONSTR Sense Technologies经过多年潜心研制的一款全新超快光谱仪，采用突破性技术，真正实现了一套设备、一束激光、多种功能。全共线多功能超快光谱仪不仅兼具共振和非共振超快光谱探测，还可以兼容瞬态吸收光谱、相干拉曼光谱、多维相干光谱探测。开创性的全共线光路设计，使其可以与该公司开发的高精度激光扫描显微镜（NESSIE）联用，实现超高分辨超快光谱显微成像。全共线多功能超快光谱仪的开发也充分考虑了用户的使用体验，系统软件可自动调控参数，光路自动对齐、无需校正等特点都使得它简单易用。

应用领域

全共线多功能超快光谱仪一套设备、一束激光，可实现三种超快光谱探测：瞬态吸收光谱TAS、相干拉曼光谱ISRS、多维相干光谱MDCS。

1. 瞬态吸收光谱TAS

全共线多功能超快光谱仪-BIGFOOT采用全新共线光路，可实现超快激光共振泵浦激励，避免了非共振泵浦技术中高能量激励对研究过程的干扰，是研究物质激发态能级结构及能量弛豫过程的有力工具，可应用于钙钛矿太阳能电池、光催化、低维材料等方面。

2. 相干拉曼光谱ISRS

相干拉曼光谱，也被称为冲击受激拉曼光谱ISRS，其信号高于传统（自发）拉曼散射9个数量级，广泛应用于细胞生物学、组织生物学、神经生物学、微生物学、药理学、材料科学等领域。

与高精度激光扫描显微镜联合使用，可以搭建受激拉曼散射显微镜，实现无需荧光标记的快速实时成像，而且受激拉曼不存在非共振背景信号的干扰，在定量分析等方面很具优势，可应用于病理检测、生物代谢等方面。

另一方面，利用超快激光脉冲，可实现时域冲击受激拉曼散射信号的搜集，从而在时域范畴研究材料的结构相变或者活细胞中的超快过程。

3. 多维相干光谱MDCS

多维相干光谱MDCS基于非线性四波混频（FWM）技术，通过对一系列脉冲序列的延时进行扫描和傅里叶变换获得系统吸收、发射二维光谱，从而分析材料内部的各类相互作用。可应用于半导体、过渡金属二硫族二维材料、异质结构、钻石色心、量子点、空腔等离激元、材料缺陷分析等领域。

多维相干光谱MDCS示意图

多维相干光谱MDCS的强大功能总结如下：

1. 多相分离、多相相互作用

可实现相分离样品或异质结构的多组分信号分离，分析多组分之间相干耦合以及电荷转移等非相干耦合。尤其适用于具有复杂domain的半导体纳米结构、异质结构研究。

多维相干光谱MDCS实现多相分离信息

2. 分辨非均匀、均匀展宽

对于单相信号，MDCS沿等频率对角线和垂直对角线方向分析数据，可区别出非均匀、均匀线宽展宽，从而获得激子相干耦合时间，多体相互作用等信息。

3. 微区信号采集

相比传统非共线装置，全共线非线性四波混频技术所需激光功率显著降低，光斑大小可以由普通超快光谱30 μm缩小到2 μm，可更好地实现微区光谱信号采集。

4. 非辐射隐藏电子态信息获得

MDCS外差检测光谱，除了可以探测辐射荧光的电子态之外，可以探测不辐射荧光的隐藏电子态，从而获得样品内部更全面的信息。

5. 泵浦动力学研究

泵浦探测延迟时间调控，可获得相干、非相干耦合的动力学研究

多维相干光谱MDCS的泵浦动力学研究

6. 偏振依赖实验

可实现不同偏振实验，适用于分辨偏振依赖的电子跃迁光谱，根据不同类别信号对偏振的不同依赖响应，分析不同类别成因。

7. 更高维度数据分析

另外，基于MDCS三阶非线性光谱信息，可进行更高维度复杂数据处理，进而获得材料的应变张量等信息。

产品特点

自动软件控制

启用不同光谱功能时，系统自动切换设定测量参数，信号处理基于FPGA硬件，并经过精心设计，自动匹配中心波长、光谱带宽、光谱分辨率、弛豫时间范围与时域分辨率等参数。

光路准直设计

稳健的双通光路设计，硬件定制加工，无需额外的对准操作即可使用。

无需校准

参考光全光路伴随：稳定的Nd：YAG激光作为参考光，全过程伴随测量光路，因而光谱仪不需要校准

锁相探测新方法，提高振动被动稳定

锁相探测新方法，可将红外干涉测量和光谱学的被动稳定性扩展到可见光波段，很大程度优化数据

基本参数

*虽然标准系统可以在这个带宽下正常工作，但我们仍然推荐为宽光学带宽选件购买色散补偿升级配件

全共线多功能超快光谱显微成像系统

全共线多功能超快光谱仪与高精度激光扫描显微镜集成，形成功能强大的全共线多功能超快光谱显微成像系统。还可搭配低温光学恒温器，实现低温多功能超快光谱成像。

全共线多功能超快光谱显微成像系统

光栅式扫描几秒时间便可以获得一个超快成像动画，帮助用户迅速定位到感兴趣的区域进行高分辨的扫描成像。对于部分感兴趣样品位点，利用全共线多功能超快光谱仪，可以获得每个样品位点的全面的电子和振动能级信息。

全共线多功能超快光谱显微成像系统充分结合了全共线多功能超快光谱仪和高分辨激光扫描显微镜的优势，通过弛豫时间成像和多功能光谱成像，允许用户分析样品空间不均匀性与电子结构的关联关系。

MoSe₂/WSe₂异质结构低功率低温（6K）FWM积分成像光谱（a，b）和弛豫时间成像（c）

全共线多功能超快光谱显微成像系统强大的材料表征能力，也可以应用于工业制作环境中的非接触式材料检测，帮助制造商识别原材料品质，避免缺陷材料应用于设备。

常温下，CVD生长WSe₂薄片移相时间分布和FWM强度变化

测试数据

单层MoSe₂/WSe₂异质结构中的相干相互作用

单层MoSe₂均匀线宽测量

利用硅色心探测金刚石应变张量

探测金刚石中的隐藏色心

分立量子点之间的相干耦合

空腔极化激元的高阶关联作用

过渡金属二硫族异质结构中动态激子相互作用和耦合的成像（全共线多功能超快光谱显微成像系统）

发表文章

1. T. L. Purz et al., Coherent exciton-exciton interactions and exciton dynamics in a MoSe₂/WSe₂ heterostructure. Physical Review B 104,  (2021).

2. E. W. Martin et al., Encapsulation Narrows and Preserves the Excitonic Homogeneous Linewidth of Exfoliated Monolayer MoSe₂. Physical Review Applied 14,  (2020).

3. K. M. Bates et al., Using silicon-vacancy centers in diamond to probe the full strain tensor. Journal of Applied Physics 130, 024301 (2021).

4. C. L. Smallwood et al., Hidden Silicon-Vacancy Centers in Diamond. Phys Rev Lett 126, 213601 (2021).

5. E. W. Martin, S. T. Cundiff, Inducing coherent quantum dot interactions. Physical Review B 97,  (2018).

6. T. M. Autry et al., Excitation Ladder of Cavity Polaritons. Phys Rev Lett 125, 067403 (2020).

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

8. 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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