全共線多功能超快光譜儀

   全共線多功能超快光譜儀-BIGFOOT是美國(guó)密歇根大學(xué)衍生公司MONSTR Sense Technologies經(jīng)過(guò)多年潛心研制的一款全新超快光譜儀，采用突破性技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了一套設(shè)備、一束激光、多種功能。全共線多功能超快光譜儀不僅兼具共振和非共振超快光譜探測(cè)，還可以兼容瞬態(tài)吸收光譜、相干拉曼光譜、多維相干光譜探測(cè)。開(kāi)創(chuàng)性的全共線光路設(shè)計(jì)，使其可以與該公司開(kāi)發(fā)的高精度激光掃描顯微鏡（NESSIE）聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)超高分辨超快光譜顯微成像。全共線多功能超快光譜儀的開(kāi)發(fā)也充分考慮了用戶的使用體驗(yàn)，系統(tǒng)軟件可自動(dòng)調(diào)控參數(shù)，光路自動(dòng)對(duì)齊、無(wú)需校正等特點(diǎn)都使得它簡(jiǎn)單易用。

應(yīng)用領(lǐng)域

全共線多功能超快光譜儀一套設(shè)備、一束激光，可實(shí)現(xiàn)三種超快光譜探測(cè)：瞬態(tài)吸收光譜TAS、相干拉曼光譜ISRS、多維相干光譜MDCS。

1. 瞬態(tài)吸收光譜TAS

全共線多功能超快光譜儀-BIGFOOT采用全新共線光路，可實(shí)現(xiàn)超快激光共振泵浦激勵(lì)，避免了非共振泵浦技術(shù)中高能量激勵(lì)對(duì)研究過(guò)程的干擾，是研究物質(zhì)激發(fā)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)及能量弛豫過(guò)程的有力工具，可應(yīng)用于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池、光催化、低維材料等方面。

2. 相干拉曼光譜ISRS

相干拉曼光譜，也被稱為沖擊受激拉曼光譜ISRS，其信號(hào)高于傳統(tǒng)（自發(fā)）拉曼散射9個(gè)數(shù)量級(jí)，廣泛應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)、組織生物學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、微生物學(xué)、藥理學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域。

與高精度激光掃描顯微鏡聯(lián)合使用，可以搭建受激拉曼散射顯微鏡，實(shí)現(xiàn)無(wú)需熒光標(biāo)記的快速實(shí)時(shí)成像，而且受激拉曼不存在非共振背景信號(hào)的干擾，在定量分析等方面很具優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于病理檢測(cè)、生物代謝等方面。

另一方面，利用超快激光脈沖，可實(shí)現(xiàn)時(shí)域沖擊受激拉曼散射信號(hào)的搜集，從而在時(shí)域范疇研究材料的結(jié)構(gòu)相變或者活細(xì)胞中的超快過(guò)程。

3. 多維相干光譜MDCS

多維相干光譜MDCS基于非線性四波混頻（FWM）技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖序列的延時(shí)進(jìn)行掃描和傅里葉變換獲得系統(tǒng)吸收、發(fā)射二維光譜，從而分析材料內(nèi)部的各類相互作用?？蓱?yīng)用于半導(dǎo)體、過(guò)渡金屬二硫族二維材料、異質(zhì)結(jié)構(gòu)、鉆石色心、量子點(diǎn)、空腔等離激元、材料缺陷分析等領(lǐng)域。

多維相干光譜MDCS示意圖

多維相干光譜MDCS的強(qiáng)大功能總結(jié)如下：

1. 多相分離、多相相互作用

可實(shí)現(xiàn)相分離樣品或異質(zhì)結(jié)構(gòu)的多組分信號(hào)分離，分析多組分之間相干耦合以及電荷轉(zhuǎn)移等非相干耦合。尤其適用于具有復(fù)雜domain的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)研究。

多維相干光譜MDCS實(shí)現(xiàn)多相分離信息

2. 分辨非均勻、均勻展寬

對(duì)于單相信號(hào)，MDCS沿等頻率對(duì)角線和垂直對(duì)角線方向分析數(shù)據(jù)，可區(qū)別出非均勻、均勻線寬展寬，從而獲得激子相干耦合時(shí)間，多體相互作用等信息。

3. 微區(qū)信號(hào)采集

相比傳統(tǒng)非共線裝置，全共線非線性四波混頻技術(shù)所需激光功率顯著降低，光斑大小可以由普通超快光譜30 μm縮小到2 μm，可更好地實(shí)現(xiàn)微區(qū)光譜信號(hào)采集。

4. 非輻射隱藏電子態(tài)信息獲得

MDCS外差檢測(cè)光譜，除了可以探測(cè)輻射熒光的電子態(tài)之外，可以探測(cè)不輻射熒光的隱藏電子態(tài)，從而獲得樣品內(nèi)部更全面的信息。

5. 泵浦動(dòng)力學(xué)研究

泵浦探測(cè)延遲時(shí)間調(diào)控，可獲得相干、非相干耦合的動(dòng)力學(xué)研究

多維相干光譜MDCS的泵浦動(dòng)力學(xué)研究

6. 偏振依賴實(shí)驗(yàn)

可實(shí)現(xiàn)不同偏振實(shí)驗(yàn)，適用于分辨偏振依賴的電子躍遷光譜，根據(jù)不同類別信號(hào)對(duì)偏振的不同依賴響應(yīng)，分析不同類別成因。

7. 更高維度數(shù)據(jù)分析

另外，基于MDCS三階非線性光譜信息，可進(jìn)行更高維度復(fù)雜數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而獲得材料的應(yīng)變張量等信息。

產(chǎn)品特點(diǎn)

自動(dòng)軟件控制

啟用不同光譜功能時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換設(shè)定測(cè)量參數(shù)，信號(hào)處理基于FPGA硬件，并經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，自動(dòng)匹配中心波長(zhǎng)、光譜帶寬、光譜分辨率、弛豫時(shí)間范圍與時(shí)域分辨率等參數(shù)。

光路準(zhǔn)直設(shè)計(jì)

穩(wěn)健的雙通光路設(shè)計(jì)，硬件定制加工，無(wú)需額外的對(duì)準(zhǔn)操作即可使用。

無(wú)需校準(zhǔn)

參考光全光路伴隨：穩(wěn)定的Nd：YAG激光作為參考光，全過(guò)程伴隨測(cè)量光路，因而光譜儀不需要校準(zhǔn)

鎖相探測(cè)新方法，提高振動(dòng)被動(dòng)穩(wěn)定

鎖相探測(cè)新方法，可將紅外干涉測(cè)量和光譜學(xué)的被動(dòng)穩(wěn)定性擴(kuò)展到可見(jiàn)光波段，很大程度優(yōu)化數(shù)據(jù)

基本參數(shù)

*雖然標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)可以在這個(gè)帶寬下正常工作，但我們?nèi)匀煌扑]為寬光學(xué)帶寬選件購(gòu)買色散補(bǔ)償升級(jí)配件

全共線多功能超快光譜顯微成像系統(tǒng)

全共線多功能超快光譜儀與高精度激光掃描顯微鏡集成，形成功能強(qiáng)大的全共線多功能超快光譜顯微成像系統(tǒng)。還可搭配低溫光學(xué)恒溫器，實(shí)現(xiàn)低溫多功能超快光譜成像。

全共線多功能超快光譜顯微成像系統(tǒng)

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)充分結(jié)合了全共線多功能超快光譜儀和高分辨激光掃描顯微鏡的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)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

測(cè)試數(shù)據(jù)

單層MoSe₂/WSe₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的相干相互作用

單層MoSe₂均勻線寬測(cè)量

利用硅色心探測(cè)金剛石應(yīng)變張量

探測(cè)金剛石中的隱藏色心

分立量子點(diǎn)之間的相干耦合

空腔極化激元的高階關(guān)聯(lián)作用

過(guò)渡金屬二硫族異質(zhì)結(jié)構(gòu)中動(dòng)態(tài)激子相互作用和耦合的成像（全共線多功能超快光譜顯微成像系統(tǒng)）

發(fā)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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