红外近场光学显微镜交付及功能测试

发布时间:2024年7月24日 分类:科普资讯 浏览量:267

作者:张栋昌

成都觅几科技有限公司于2024年成功向深圳某大学交付了一套先进的红外近场光学显微系统。该系统的光路示意图如图1所示,由激光指引系统、扩束系统、以及伪外差系统组成。系统主体由国产6.5微米量子级联激光器(QCL)和近场专用原子力显微镜(AFM)主机构成。通过集成这些设备,该系统能够实现高分辨率的红外近场成像功能,提供卓越的性能和精确的测量能力,为科研人员提供了强有力的工具,用于探索和分析微观领域的物质特征。

红外近场光学显微镜交付及功能测试

图1:红外进场光路示意图


系统功能介绍:

该系统主要实现了红外近场成像功能。在本套红外近场光学系统中,由于红外不可见的性质,采用了红光-红外重合指引策略。即利用ITO(氧化铟锡)玻璃的全反射红外线和半透半反可见光的特性,将图1中红色激光指引光束1,与6.5umQCL(量子级联激光器)的红外激光通过一面ITO镜完全重合,从而实现红外“可视化”聚焦至针尖的目的。重合后的光束通过反射镜和反射式扩束镜(10倍扩束)后,进入伪外差系统。该系统具有红外透反比为8:2的硅片,使红外光在做近场成像和伪外差参考过程中得到适当分配。最终,通过集成的原子力显微镜系统,成功实现了红外扫描近场光学显微镜(SNOM)的近场成像功能。这一系统设计具有极高的成像精确度和分辨率,为科学研究提供了先进的工具。

光源:采用国产6.5微米量子级联激光器(QCL),能够提供稳定的红外光源,满足高精度成像需求。

光路设计:考虑到QCL输出的激光为点光源且不可见性质,因此光路设计包括扩束系统和激光指引系统来准确无误地将红外光聚焦至探针。其中,扩束系统利用反射式扩束镜(10倍扩束)来扩束激光,以实现更好的光束质量,便于更小地聚焦光斑。

伪外差探测法:伪外差系统中包含一块具有红外透射和反射比为8:2的硅片。在精准地光路下,参考光束与信号光束在此发生干涉,从而增强信号的强度,以此提高成像分辨率。

原子力显微镜(AFM):系统集成了近场专用原子力显微镜,通过探针与样品表面的相互作用,实现纳米级别的成像和测量。将红外光信号聚焦到百纳米尺度的区域后,AFM探针能够精确定位和扫描样品表面。

数据采集与分析:系统配备了先进的数据采集和分析软件,能够实时处理和分析获得的近场成像数据,提供高分辨率的红外空间分辨信息。

红外近场光学显微镜交付及功能测试

图2:红外近场光学显微镜系统图


近场测量信号分析

红外近场光学显微系统(IR-SNOM)是一种成熟且高度精密的技术,能够超越传统光学显微镜的衍射极限,实现纳米尺度的高分辨率成像。因此,提取到的近场信号是否纯净尤为重要,在该系统中,锁相可解调到的近场信号高达五阶(阶数越高,近场信号越强,同时近场信号越纯净)。图3为锁相解调五阶信号图,右侧针尖尖端的红色激光即为指引激光。可直观上将红外聚焦至针尖来提取更为纯净的近场信号。

红外近场光学显微镜交付及功能测试

图3:五阶信号图


近场成像

在本次测试中,我们选用了以下三种样品对红外近场光学显微系统进行表征:(a)光栅结构、(b)氮化硼纳米管、(c)立方氮化硼。

在(a)光栅结构的测试中,光栅之间的间距约为60纳米。在一阶和二阶成像中,系统表现出卓越的近场分辨率,能够准确无误地对光栅表面进行红外近场成像。这表明系统在处理高分辨率结构时具有优异的性能。

在(b)氮化硼纳米管和(c)立方氮化硼的测试中,氮化硼和基底信号形成了明显的对比。在(c)立方氮化硼的红外近场成像中,样品边缘出现了显著的亮线,这表明近场信号十分强烈。该现象进一步验证了系统在探测样品边缘和细节特征方面的高灵敏度和高分辨率。

通过对这三种样品的测试,本司红外近场光学显微系统在不同类型的样品中均展示出优异的性能和可靠性,能够提供高分辨率、高对比度的红外近场成像结果,为进一步的材料和结构研究提供了强有力的支持。

红外近场光学显微镜交付及功能测试

图4:(a)光栅结构(b)氮化硼纳米管(c)立方氮化硼。

从左到右依次为形貌成像、一阶信号成像、三阶信号成像

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