高精度激光扫描显微镜

    高精度激光扫描显微镜-NESSIE是美国密歇根大学衍生公司MONSTR Sense Technologies潜心研制。开创性的设计使其外形小巧，组件灵活，可适配不同高度的样品台甚至是低温光学恒温器，实现低温显微成像。显微镜可处理波长范围广，快速光栅式扫描可以在几秒时间内获得一个高光谱图像。特殊激光光路设计消除了激光扫描过程中的光束漂移，使其非常适合与该公司研发的全共线多功能超快光谱仪集成，实现强大的材料表征功能，不仅可以实现高速、高精度激光扫描谱图，还可以对感兴趣的样品位点进行多维光谱数据采集。

设备特点

创新光路设计，适合集成

高精度激光扫描显微镜-NESSIE的输入信号为单个激光光束，输出信号为样品探测点收集的单个反向传播光束，这样的光路设计确保了反传播信号在扫描图像时不会相对于输入光束漂移，因而非常适用于激光的实验中的成像显微镜系统。

室温GaAs量子阱成像。（a）白光成像；（b）激光扫描线性反射率测量，80 MHz激光（5 mW激光输出）调谐到GaAs带隙；（c）四波混频激光扫描成像揭示了影响GaAs层的次表面缺陷。

灵活可调与稳定性兼具

高精度激光扫描显微镜-NESSIE可适配不同高度的样品台和低温光学恒温器。其结构的特殊设计可实现显微镜组件整体提高，以清除高度从4″到8″的物体。物镜中心与显微镜支架和外壳之间的间隙为5.5″，可实现不同尺寸形状的低温光学恒温器的容纳。

普通显微镜下安装低温恒温器需要转接板，往往会带来样品台的不稳定性，影响采集数据的品质。高精度激光扫描显微镜-NESSIE采用了独立的支撑和提升单元，保证了高度灵活可调的同时，也保持了严格对齐和高稳定性，可以有效避免低温恒温器和其他设备产生振动的干扰，对于在振动的环境中生成高分辨率图像至关重要。

激光扫描无光束漂移

普通激光扫描显微镜一般使用两个相邻X、Y扫描镜来实现激光扫描。由于两个镜面均不在光学系统的像面上，光束在扫描图像时发生漂移。高精度激光扫描显微镜-NESSIE的特殊设计将X、Y扫描镜均置于像平面，使用抛物面镜作为扫描镜之间的中继系统，可以消除物镜后焦平面上的光束漂移。

消除渐晕

渐晕是视场图像边缘附近亮度降低的效应，在显微镜中，渐晕会扭曲数据和缩小视场。激光扫描中扫描镜近邻安装，是引入渐晕效应的主要原因。高精度激光扫描显微镜-NESSIE的特殊光路设计可以消除了渐晕效应对整个显微镜物镜的视野的影响。

（a）渐晕效应；（b）无渐晕的视场成像

可处理波长范围广

宽频光路设计，标配可允许激光波长在450-1100 nm 范围，其他频率的激光可选。

软件可拓展性强

系统软件灵活易用，可拓展性强。基于LabVIEW的软件包，可将用户自定义指标与自带的成像控制算法结合在一起，实现实时图像生成。另外系统也配有基于API软件包，实现系统自带代码与用户实验代码的整合。

全共线多功能超快光谱显微成像系统

高分辨激光扫描显微镜与全共线多功能超快光谱仪集成，形成功能强大的全共线多功能超快光谱成像系统。可搭配低温光学恒温器，实现低温多功能超快光谱成像。

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发挥了光谱仪和显微镜的优势，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

应用领域（全共线多功能超快光谱显微成像系统）

高精度激光扫描显微镜提供整个显微镜物镜视野的成像控制，包括：像素分辨率，扫描速率和聚焦区域。而全共线多功能超快光谱仪兼具共振和非共振超快光谱探测，并兼容瞬态吸收光谱、相干拉曼光谱、多维相干光谱探测。这两款设备集成具有强大的多功能超快光谱显微成像能力，可实现双光子显微成像、瞬态吸收成像、受激拉曼显微成像、荧光寿命显微成像、多维相干光谱显微成像。

其中多维相干光谱显微成像，基于非线性四波混频FWM技术，可实现超高分辨的5维数据采集，其成像系统具有以下优势：

1. FWM显微成像超高空间分辨本领，可以进行细微结构成像

受到abbe衍射极限限制，激光扫描成像空间分辨率在940 nm，但基于全共线MDCS的非线性四波混频FWM成像光谱，可将空间分辨率提高到540nm。

2. FWM显微成像，明、暗激子空间分布可辨

激子是由受激电子和空穴由于库仑引起的形成的束缚态，而暗激子，是电子与空穴的动量不同，从而阻止了它们对光的吸收。相比于荧光光谱等探测技术仅对亮激子态敏感，非线性四波混频，可实现暗激子的直接观测与研究。

3. 不同延时FWM显微成像，揭示耦合动力学过程在空间的不同分布

探究空间不同位置四波混频FWM信号随泵浦延迟时间T的变化，可以获得相干、非相干耦合动力学过程在空间的不同分布。

4. FWM decay time map

Decay time map仅改变泵浦延迟时间T，对于T＞50ps的情况，可以获得不同空间位置层间激子寿命信息。

测试数据

MoSe₂/WSe₂异质结构中，PL积分光谱探究空间差异的应力分布

MoSe₂/WSe₂异质结构中，不同延时FWM显微成像谱图，揭示空间差异的动力学演变过程

CVD获得的WSe₂薄片，不同的FWM decay time map揭示激子的快、慢弛豫过程的空间差异

FWM hyperspectral map和FWM decay time map数据处理

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

发表文章

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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