CN110234982B - 用于化学成像原子力显微镜红外光谱法的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于从纳米级到毫米级进行光谱法的方法和装置以及成像技术，包括原子力显微镜、红外光谱法、共焦显微镜、拉曼光谱法和质谱法。对于红外光谱法，用红外光照射样品，并用聚焦的UV/可见光束和/或AFM尖端读出所得的样品变形。两种技术的结合提供了使用UV/可见光的快速和大面积测量扫描以及使用AFM尖端的高分辨率测量。该方法和装置还包括通过拉曼光谱仪分析从样品反射/散射的光的能力，用于通过拉曼光谱法进行补充分析。

Description

用于化学成像原子力显微镜红外光谱法的方法和装置
AFM-IR可以是用于测量和映射一些表面的光学性质/材料成分的有用技术，其分辨率接近纳米级。该技术的各个方面在共同发明人的并且与本申请共同拥有的美国专利8869602、8680457、8402819、8001830、9134341、8646319、8242448和美国专利申请13135956中描述。这些申请通过引用而整体并入。
附图说明
参考以下结合附图的详细描述描述了本文提供的实施例的方面和优点
在整体附图中，可以重复使用附图标记来指示引用的元件之间的对应关系。提供附图是为了说明本文描述的示例实施例，并且不旨在限制本公开的范围。
图1示出了说明性实施例的简化示意图。
图2示出了IR光束在AFM和光热之间的穿梭。
图3示出了IR和拉曼之间的穿梭。
图4示出了对于AFM使用与UV/vis光收集相同的物镜。
图5示出了包括激光扫描共焦显微术和光谱学的实施例。
图6示出了与图2中所示的实施例相关的实施例，其中IR和UV/vis光用相同的物镜聚焦。
图7示出了IR源是宽带源的实施例。
图8显示了包括质谱法的实施例。
图9示出了采用红外辐射的全内反射照射的实施例。
具体实施方式
定义
使探针与样品”相互作用是指使探针尖端足够接近样品表面，使得发生一个或多个近场相互作用，例如吸引和/或互斥的尖端-样品力，和/或从探针顶点附近的样品区域散射的辐射的产生和/或放大。相互作用可以是接触模式、间歇接触/轻敲模式、非接触模式、脉冲力模式和/或任何横向调制模式。相互作用可以是恒定的，或者如优选实施例中那样是周期性。周期性相互作用可以是正弦波或任何任意的周期性波形。脉冲力模式和/或快速力曲线技术也可用于周期性地使探针达到与样品的所需水平的相互作用，然后是保持期，然后是随后的探针缩回。
“照射”意指将辐射引导到物体，例如样品的表面、探针尖端、和/或探针-样品相互作用的区域。照射可以优选地包括红外波长范围内的辐射，但是也可以使用其他波长。照射可以包括辐射源、脉冲发生器、调制器、反射元件、聚焦元件和任何其他光束调向或调节元件的任意配置。
“红外源”和“红外辐射源”是指产生或发射红外波长范围内(通常在2-25微米之间)的辐射的一个或多个光源。辐射源可以是大量源中的一种，包括热源或碳硅棒源、超连续激光源、频率梳、差频发生器、和频发生器、谐波发生器、光学参量振荡器(OPO)、光学参量发生器(OPG)、量子级联激光器(QCL)、纳秒、皮秒、飞秒和阿秒激光系统、CO2激光器、加热悬臂探针或其他显微加热器、和/或产生辐射光束的任何其他源。在优选实施例中，源发射红外辐射，但它可以代替地或也可以在其他波长范围内发射，例如从紫外到太赫兹(THz)。源可以是窄带，例如光谱宽度<10cm-1或<1cm-1更少，或者可以是宽带，例如光谱宽度>10cm-1，>100cm-1或大于500cm-1。
“UV/vis源”是指紫外(UV)和/或可见(vis)光辐射源。例如，UV/vis源可以包括气体激光器、激光二极管、超辐射发光二极管(SLD)、经由和频或差频产生的UV和/或可见激光束。它还可以包括任何或其他UV和/或可见光源，其可以聚焦到尺度小于2.5微米，优选小于1微米的光斑上。
“光谱”是指作为波长的函数，或等效地(并且更常见地)作为波数的函数的样品的一种或多种性质的测量。
“光学性质”是指样品的光学性质，包括但不限于折射率、吸收系数、反射率、吸收率、折射率的实部和/或虚部、样品介电函数的实部和/或虚部和/或可从这些光学性质中的一个或多个数学推导出的任何性质。
“光学响应”是指辐射与样品相互作用的结果。光学响应与以上定义的一个或多个光学性质有关。光学响应可以是辐射的吸收、温度增加、热膨胀、光致力、光的反射和/或散射或由于与辐射的相互作用的材料的其他响应。
“指示...的信号”是指与感兴趣的性质在数学上相关的信号。信号可以是模拟信号、数字信号、和/或存储在计算机或其他数字电子器件中的一个或多个数字”。信号可以是电压、电流或任何其他可以容易地转换和记录的信号。该信号可以与被测量的性质在数学上相同，例如明确为绝对相位信号或吸收系数。它还可以是与一个或多个感兴趣的性质在数学上相关的信号，例如包括线性或其他缩放、偏移、反演或甚至复杂的数学操作。
“扫描探针显微镜(SPM)”是指一种显微镜，其中尖锐的探针与样品表面相互作用，然后扫描表面，同时测量样品表面的一种或多种性质。扫描探针显微镜可以是原子力显微镜(AFM)，其可以包括具有尖锐尖端的悬臂探针。SPM通常包括用于测量探针尖端和/或探针尖端所附着的物体(例如，悬臂或音叉或MEMS装置)的运动、位置和/或其他响应的能力。最常见的方法包括使用光学杠杆系统，其中激光束从悬臂探针回弹以测量悬臂的偏转。替代方案包括自感知技术，如压阻式悬臂、音叉、电容式传感和其他技术。其他检测系统可以测量其他性质，例如力、力梯度、谐振频率、温度和/或与表面的其他相互作用或对表面相互作用的响应。
悬臂探针”通常是由硅、氮化硅或其他基于半导体的材料制成的微制造的悬臂。探针也由金属和聚合物材料制成。通常，探针仅需要具有尖锐的尖端，该尖端可以与样品相互作用并支持某些机构以检测相互作用，例如，通过悬臂探针的弯曲，或电阻、谐振频率或指示探针时间与样品之间相互作用的其他性质的变化。
“扫描仪”是用于在探针和样品之间产生相对平移的一个或多个扫描机构，使得探针可以与样品上的多个位置相互作用并测量其性质。扫描机构可以移动探针、样品或其组合。扫描机构通常是压电装置，但也可以采用其他机构，如电磁、静电、电阻和其他驱动机构，以响应于给定的控制信号或命令引起所需的运动。扫描仪包括但不限于压电管、压电叠堆、压电驱动挠曲平台、音圈和其他用于提供精确平移的机构。
“SPM控制器”指的是便于AFM-IR系统的数据获取和控制的系统。控制器可以是单个集成电子外壳，或者可以包括多个分布式元件。控制元件可以提供对探针尖端和/或样品的定位和/或扫描的控制。它们还可以收集关于探针偏转、运动或其他响应的数据，提供对辐射源功率、极化、转向、聚焦和/或其他功能的控制。控制元件等可以包括计算机程序方法或数字逻辑方法，并且可以使用各种计算设备(计算机、个人电子设备)、模拟和/或数字分立电路部件(晶体管、电阻器、电容器、电感器、二极管等)、可编程逻辑、微处理器、微控制器、专用集成电路或其他电路元件的任何组合来实现。存储器，配置为存储计算机程序，并且可以与分立电路部件一起实现，以执行本文描述的一个或多个过程。
“锁定放大器”是解调系统在一个或多个参考频率下的响应的设备和/或算法。锁定放大器可以是包括模拟电子器件、数字电子器件和两者的组合的电子组件。它们还可以是在诸如微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器和个人计算机的数字电子设备上实现的计算算法。锁定放大器可产生指示振荡系统的各种度量的信号，包括幅度、相位、相位(X)和正交(Y)分量或上述的任何组合。在该上下文中的锁定放大器还可以在参考频率、参考频率的高次谐波和/或参考频率的边带频率处均产生这样的测量。
“光热畸变”是指由于吸收光能(例如IR辐射的吸收)而导致的样品性质的变化。光热畸变可以指折射率、反射率、热膨胀、表面变形或可以用原子力显微镜的尖端和/或UV/可见光辐射光束检测到的其他效应的变化。
光热成像和光谱法
图1示出了具有亚衍射受限空间分辨率的快速光热红外成像和光谱法系统的实施例。红外辐射光束100在样品106的区域104处从红外源102引导。红外源可以是可调谐的窄带源，例如红外激光器或宽带源。如果光束100包含被样品的被照射区域中的材料成分吸收的一个或多个波长，则被吸收的辐射将引起吸收成分的加热。可以通过两种方式之一检测吸收的热量。首先，可以用聚焦的紫外线或可见(UV/vis)辐射光束检测它。可选地，使用一个或多个透镜110对UV/vis辐射源108进行准直，然后引导通过偏振分束器112至四分之一波片114，然后由物镜116将其聚焦到由红外辐射光束100照射的样品区域的一部分上。样品的吸收区域的加热可以使得从样品表面反射或更一般地散射的光偏离其正常轨迹，而不用红外光照射样品。例如，样品可能由于热膨胀而变形，引起样品的反射和/或折射的变化。另外，样品或周围介质可以加热并改变样品的局部折射率。由此产生的“热透镜”可以改变从样品散射、折射或反射的UV/vis光的光束路径。从样品返回的光可以由物镜116(或者替代地，放置在样品下方的附加物镜，未示出)收集，然后发送到接收器120。在通过照射物镜116收集光的情况下，收集的光光可以穿过四分之一波片114，使得偏振相对于入射光束旋转90度。然后，偏振分束器112将偏振旋转光束导向接收器120，接收器120可包括检测器121或光谱仪122或两者。可选地，来自偏振分束器的光束118的一部分可以由滤光器119阻挡。滤光器119可以具有中心障碍物，例如以阻挡大部分未偏转的中心光线，从而增加检测器121的动态范围和/或光谱仪。也就是说，如果未偏离的光束的中心部分被阻挡，则在饱和之前，检测器可以在更高的增益和/或更长的整合时间下操作。可替代地，在收集臂中可以存在另外的透镜，其将光束118聚焦到检测器121处或之前的光斑处。在附加透镜将光束聚焦到检测器之前的柱的情况下，可以在聚焦光斑处放置针孔以阻挡从样品焦平面外的区域散射或反射的光。检测器121可以是测量入射在其上的光束的相对强度的检测器，例如传统的光电二极管、雪崩光电二极管、光电倍增管和/或产生信号的其他检测器，该信号指示入射在检测器上的光的强度。可替代地，检测器121可以是位置敏感检测器，例如线性光电二极管、双段或四段检测器或多检测器阵列。在这种情况下，检测器还可以对反射/散射光束中的位置偏移敏感，例如由于光束中的角度偏差和/或横向偏移。可替代地，检测器121可以包括相敏检测器，还包括干涉检测方案，该方案产生指示入射在检测器上的光束的光学相位或光学相移的信号。在这些实施例中，系统可以测量由于样品的红外光的相互作用或吸收而由样品中的温度变化引起的强度、光束角和/或光学延迟的变化。
红外光源可以是脉冲的或调制的。例如，控制器123可以产生触发或同步脉冲，其命令光源以指定的速率脉冲。可替代地，光源可以基于内部定时脉冲并且将同步脉冲发送回控制器123。可替代地，光源可以具有周期性地调制其强度的外部调制器101。在优选实施例中，光源以超过10kHz、100kHz或1MHz的频率被调制或脉冲。在高频下调制红外光减少了有效的热扩散长度，否则会损害该技术的空间分辨率。然后由控制器123和/或外部信号调节/解调电子器件分析检测到的UV/vis光。在一个实施例中，通过锁定放大器或等效装置分析检测器信号，以测量激光光源在调制频率或其谐波频率下的UV/vis调制的幅度。通过使用诸如锁定放大器的相位敏感检测，可以仅测量由样品吸收的红外光的影响并导致由样品加热导致的UV/vis光束的周期性偏差。通过测量样品106上的多个位置处的UV/vis调制的幅度，可以制作样品的红外响应的图像128。这种布置的一个关键方面是样品的红外特性可以在低于照射样品的红外光源的衍射极限的尺度上测量。相反，空间分辨率仅受照射UV/vis光束的空间分辨率极限的限制。该空间分辨率可以低至λ/2，其中λ是UV/vis光束的波长。还可以测量UV/vis调制作为红外光源102的波长的函数，以产生样品的IR吸收、反射和/或透射的光谱136。在窄带源的情况下，例如，光谱线宽通常<10cm-1且优选<1cm-1的光源，可以直接通过测量UV/vis调制作为红外光源的发射波长(或等效地波数)的函数来产生光谱。在宽带光源(典型线宽>100cm-1)的情况下，可能需要使用傅里叶变换技术来提取UV/vis调制的波长依赖性并因此提取光谱136。在这种情况下来自IR源102的光在光入射在样品上之前，通行经过包括分束器、固定镜和移动镜的干涉仪。可以在一系列不同位置处扫描干涉仪中的移动镜，同时监测UV/vis调制以产生干涉图。然后可以对干涉图进行傅里叶变换以获得光谱。
可以以两种主要方式创建空间分辨的地图128。首先，聚焦的IR和uv/VIS光斑可以保持静止，并且样品106可以相对于这些聚焦光斑扫描，例如用样品扫描仪130。可替代地，可以在样品上扫描UV/vis光束，例如，使用激光扫描共焦显微镜中使用的振镜扫描镜。注意，取决于功率要求和聚焦光斑尺寸，IR光束100可以是静止的或扫描的。在一个实施例中，IR光束100与UV/vis光斑同步扫描，使得IR光束的峰值强度和UV/vis光斑的中心基本上重叠。或者，IR光束可以配置得足够大，使得它覆盖扫描的UV/vis光束的行进范围。在一个实施例中，IR源可以是热源，例如通常用于傅里叶变换红外(FTIR)光谱法和显微术的碳硅棒。可替代地，可以使用例如来自Axetris或NovaIR或其他供应商的小面积热发射器。在热发射器的情况下，希望调制装置的温度或输出IR功率。一些商业小面积热发射器可以调制到100Hz的状态。具有整体电阻加热器的AFM悬臂可以在kHz范围内调制，因为它们的有效面积小且热时间常数小。京都大学的Susuma Noda及其同事制造的热发射器可以在10kHz的频率范围内进行调制(doi:10.1038/nmat4043)。还可以采用各种外部调制器，例如光弹性调制器、高速斩波器(例如来自Scitec，高至100kHz)、MEMS反射镜、压电变形反射镜和可以调节红外束的强度、角度和/或聚焦光斑尺寸的其他调制器。
图1的装置的理想方面是它可用于在同一平台上进行红外光热光学显微镜和扫描探针显微镜测量。这可以在不必手动地将样品从一个仪器移动到另一个仪器的情况下实现，因此可以支持并置、顺序、甚至在某些情况下同时测量。
在一个实施例中，UV/vis源可以包括超辐射发光二极管(SLD)。SLD在该装置中可能是有利的，因为它们具有相对短的相干长度。传统的激光器和激光二极管可以具有米和毫米范围内的相干长度。这可能导致作为光学光热测量的光源的问题，因为散射光和多重反射光可以自干扰，在用UV-vis光束测量IR光的吸收中引起不希望的寄生振荡。因此，在一个实施例中，选择超辐射发光二极管作为UV-vis源。例如，Exalos制造的超辐射发光二极管具有4-30μm范围内的空间相干性。这些短的相干长度意味着从表面或散射体发生的多次反射远远大于相干长度相距距离将不会强烈地自干涉，因此导致具有较少干扰伪像的光学光热图像。Qphotonics销售的405nm超辐射发光二极管与单模光纤耦合，该光纤的模直径为3.6um。使用高NA和低像差物镜以及合适的镜筒透镜，可以将来自单模光纤的光聚焦到近衍射极限点，从而实现高空间分辨率但没有与窄带光源相关的光学干扰问题。
在一个实施例中，通过使用UV/vis光束读出IR吸收而产生的图像128也可以用作“测量扫描”，用于通过基于原子力显微镜的红外光谱法(AFM-IR)或散射-扫描近场光学显微镜(s-SNOM)或尖端增强拉曼光谱法(TERS)或任何其他基于探针的显微镜扫描所进行的更高分辨率测量，或用于基于激光的质谱法，如稍后所述。在AFM-IR技术中，样品106也被来自IR源102的红外辐射的光束100照射。在这种情况下，如果被照射区域的一部分吸收红外光，则吸收区域可以加热并经历热膨胀，在AFM的探针尖端130上产生力脉冲。可替代地，与样品相互作用的IR辐射可以由于感生电场相互作用而在尖端和样品之间引起力。在任何一种情况下，探针尖端上的力都可以引起探针的弯曲，这可以通过光学或其他方式检测。在一个实施例中，可以使用如上所述的用于读出IR吸收的相同UV/vis激光系统。在这种情况下，激光扫描机构(例如扫描振镜)可用于将UV/vis激光束从样品上的区域移动到悬臂的背面。在一个实施例中，选择物镜116的悬臂倾斜角和数值孔径，使得从AFM悬臂反射的光以物镜116的收集角之外的角度被反射。例如，Mitutoyo 20X 0.42NA长工作距离物镜可以用于将UV/vis激光光斑聚焦在悬臂或样品上，同时仍然为透镜收集角之外的AFM偏转测量提供足够的间隙。20X 0.42NA物镜具有大约25°的半角。因此，如果悬臂倾斜25度或更大，则从悬臂反射的光束124将以物镜116的收集角之外穿过并可以由位置敏感检测器126收集。尽管该长工作距离，20X 0.42NA物镜可以仍然将UV/vis光束聚焦到直径小于1微米的光斑，光源108的波长约为670nm，M2光束质量为1.2或更好。类似地，可以使用10X 0.24NA 38mm工作距离物镜。该物镜还可以在408nm波长或更短的光源下实现略低于1μm的聚焦光斑直径。它具有14度的较小收集角的优点，其需要仅7度或更大的悬臂倾斜以使反射光束在光学器件的收集角之外。
利用包括UV/vis和IR吸收的AFM-IR映射的组合系统，可以具有快速大面积映射和极高空间分辨率IR映射。例如，可以使用UV/vis光束快速扫描大区域以获得具有尺度为0.2-1μm的空间分辨率的测量扫描128。然后，可以在测量扫描128中识别较小的感兴趣区域132。然后可以通过AFM-IR测量较小区域132，以获得具有低至纳米级的空间分辨率的高分辨率图像134。
有利地，收集从样品表面反射/散射的辐射的接收器120可以是检测器121或光谱仪122或其组合。在一个实施例中，光谱仪122包括拉曼光谱仪。因为样品照射光束优选地处于UV或可见波长(或者可替代地是短波IR，例如1064nm)，所以它也可以用于激发样品中的拉曼响应。在这种情况下，可以通过用于拉曼位移光子的拉曼光谱仪分析背散射/反射光。以这种方式，相同的仪器可以收集相同样品的红外和拉曼光谱，并且对于两次测量都具有亚微米空间分辨率。
图2示出了在一个实施例下的光学布置，其使用相同的物镜支持光学光热测量和基于AFM的测量。图2A示出了用于光学光热测量的一种布置。UV/vis光200穿过物镜202，在那里它被聚焦204到样品208的区域206上。散射和/或反射的光向上传递穿过物镜，并根据与图1相关的文本中描述的方法进行检测和分析。图2B示出了用于基于AFM的测量的布置。在这种情况下，光束210被引导离开物镜202的光轴的中心。例如，光束210可以位于物镜202的输入孔径的外径附近。当光束212离开物镜202时，其被引导到撞击探针214，例如AFM悬臂探针。反射光束216被引导到与入射光束210/212不同的交替光路，并在平行但偏移的路径218上离开物镜。因此，偏移使得可以容易地分离入射和出射光束并引导出射光束218，例如，使用反射镜220将反射光束引导到位置敏感检测器220，以测量探针214的偏转。
图3示出了该装置的一个实施例，该装置包括用IR光束的样品的顶侧、侧角照射和高分辨力UV/vis读出。在该实施例中，IR光束308以低照射角照射样品306。使用聚焦元件312将IR光束308聚焦到样品306上的光斑，聚焦元件312可包括一个或多个透镜和/或曲面反射镜。在一个实施例中，聚焦元件312可以是抛物面反射镜，例如离轴抛物面反射镜。UV/vis光束300被引导通过物镜302以将光304聚焦在样品306的区域上。可以选择IR光束308的锥角310，使得其可以配合在物镜302的工作距离和角间隙之下。例如，物镜302可以是来自Mitutoyo的100X 0.7NA物镜，具有6mm的工作距离。该工作距离和物镜的壳提供对大约32度的IR照射锥角的支持，对应于0.28的照射NA和16度的入射角。该照射NA可以足以将IR辐射308聚焦到足够小的光斑以获得样品处光学光热检测所需的强度。为了实现高空间分辨率，仅需要紧密聚焦UV/vis光束。只要聚焦光斑具有足够的强度以在可见光束中产生可检测的偏转，IR光束可以聚焦到更大的光斑。也可以使用较小的IR照射角度，例如以在IR光束308(和聚焦元件312)与样品306之间提供更多的间隙。
在需要为UV/vis光束使用更高NA聚焦光学器件的情况下，可以使用特殊修改的物镜实现侧角照射。图4示出了涉及高NA物镜400和具有IR光束406的侧角照射的实施例。在这种情况下，标准高NA物镜的短工作距离可能无法为侧角照射提供足够的间隙。例如，NA为0.85或更高的物镜可能具有远小于1mm的工作距离。在具有极高NA UV/可见光物镜的情况下，可以通过创建具有用于侧面照射的孔或其他间隙的定制物镜来为IR光创建照射路径。例如，可以加工物镜壳体和如果需要的话加工成品物镜的一小部分边缘。图4示出了高NA物镜400，其具有聚焦在样品404上的UV/vis光束402。物镜400的一部分406被切除以提供通过IR光束408进行侧角照射的通路。
图5显示了组合光热IR光谱法和激光扫描共焦显微镜/光谱法的实施例。IR源502将IR辐射光束504聚焦到样品506上。可以通过扫描器508在光束下扫描样品。扫描器508可以是压电驱动平台、机械平移平台或其组合。其可以是机械平移。还可以通过AFM探针510测量样品以测量样品的形貌和光热响应。样品506还经由光源512由UV光束、可见光束或近红外光束照射。来自光源512的光由透镜514准直，然后被引导到分束器或二向色镜516。一部分光被可选地引导朝向扫描反射镜518，通常是一对基于振镜的转向反射镜。从振镜扫描镜反射的光可以由扫描透镜520聚焦以在522处产生中间焦点。镜筒透镜524与物镜530组合将中间焦点522的图像转移到样品506上的位置。随着振镜扫描反射镜518移动，样品上的聚焦光斑的位置可以在样品上平移。如果光束504的聚焦光斑相对于由扫描反射镜518提供的扫描范围较大，则IR聚焦光斑可以保持静止，并且扫描反射镜518可以快速映射样品的光热响应。从物体506反射和/或散射的光由物镜530重新捕获并回射入射光路。可选的分束器/二向色镜或可移除反射镜526可用于为白光照射和/或样品的相机视图提供辅助光学通路。穿过或经过分束器/反射镜526的光沿着入射光路继续返回到分束器/二向色镜516。在这种情况下，我们现在考虑穿过分束器/二向色镜516然后进入可选的聚焦透镜530的光，其中聚焦透镜530将光聚焦到共焦孔或针孔上的一个点。该针孔允许光通过，其与样品焦平面共焦并阻挡聚焦光。该位置处的孔径可以是可调节孔径，或者具有多种不同尺寸的可选择针孔，以允许在信号和焦深之间进行适当的折衷。穿过针孔532的光可以耦合到光纤534或者直接到达检测器/光谱仪组件535。检测器/光谱仪535可以包括反射镜/二向色镜/分束器536，以沿着路径将收集的光分开或引导到UV/可见光检测器540或光谱仪538中的任一个或两个。例如，536可以是可旋转或翻转反射镜，以将光引导到检测器540或光谱仪538或536，可以是分束器以在两个路径之间分配光。在一个实施例中，光谱仪538是拉曼光谱仪，从而允许系统在相同样品上，甚至在如果需要时同时进行IR光谱法和拉曼光谱法的互补测量。在使用光谱仪的情况下，分束器536可以是二向色镜，其反射或透射激发波长，同时对拉曼位移光做相反的反射或透射。以这种方式，光可以按波长分离并被单独分析以在光源512的激发波长处进行光热IR吸收测量，并且在光谱仪538处利用波长位移的光进行拉曼光谱测量。
图6示出了与图2中所示的实施例相关的实施例，其中IR和UV/vis光用相同的物镜聚焦。IR光源600朝向可选反射镜602发射IR辐射光束601，其将光束朝向物镜604反射，在物镜604处将光束聚焦606到样品608上的点处。物镜606优选地是反射物镜，例如Cassegrain/Schwarzschild物镜，使得它可以将UV/Vis和IR光聚焦在空间中的相同点处。物镜606也可以是折射物镜，例如具有由IR透明材料(例如ZnSe)制成的透镜。由样品608吸收的IR光导致样品中的温度升高，导致样品中的光热畸变，例如折射率的变化，反射率的变化和/或表面变形的变化。UV/vis光源624由透镜626准直，并由二向色镜或分束器628反射穿过相同的物镜604，并聚焦到IR光束聚焦的样品的基本相同区域上。样品中的温度升高和所得的样品的光热畸变可导致来自源626的反射/散射可见光的强度、角度和/或光学相位的变化。散射/反射的UV/vis光由物镜604收集，并传递到二向色镜/分束器614，在那里将其导向接收器618。接收器618可包括UV/vis检测器620和/或光谱仪622，如先前参考图1和图5所述。可以用扫描仪610在聚焦的UV/vis和IR点下扫描样品608，以提供样品的IR吸收图。可以扫描IR源600的波长以获得样品608的光谱测量值。扫描仪610可以包括用于粗略成像的大行程(mm到cm尺度)机械平台，和用于通过UV/vis光热测量或使用AFM探针612读取由入射在样品上的IR辐射引起的AFM探针上的力的精细成像的压电平台。
图7示出了IR源是宽带源的实施例，例如碳硅棒或其他热源。宽带IR源700发射辐射光束702，其包括多个波长，优选地包括宽波长范围，例如波长范围为2.5-10微米或更大。宽带IR光束702被引导朝向分束器704，在分束器704处光束被分配到两个路径中。在一条路径上，宽带IR光撞击固定反射镜708，在另一条路径上，它撞击移动反射镜706。两束光以由移动反射镜706的位置确定的相对相移重新组合。然后，组合光束被引导穿过或引导到可选调制器710上，调制器710调制IR光束的强度和/或角度。调制的光束从可选的反射镜712反射并被引导穿过物镜714，在那里它被聚焦716在样品718上。由样品吸收的IR光产生光热畸变，其由AFM探针722或UV/可见光束读出，如前所述。在通过AFM探针读出的情况下，调制器710的调制频率可以设定为基本上与探针722的谐振频率相对应。在这种配置中，AFM悬臂的光热偏转的检测被悬臂谐振的品质因子放大。这种谐振放大允许使用热源(即碳硅棒)，其具有比IR激光器低得多的成本和低得多的亮度。调制器710还可用于在激发中产生调制，然后可用于UV-vis光强度的锁定检测。调制器频率也可以设定为对应于谐振放大器的谐振频率，例如，如美国专利申请20140361150所述。
目前的装置也可以与质谱法结合，如图8所示。在这种情况下，IR激光器和/或UV/vis源可用于从样品中热解吸材料，然后可在质谱仪中分析解吸的材料。如图8所示，来自IR源800或UV/vis源812的光可以用物镜804聚焦到样品806上。所选择的激光源的聚焦强度设定为足以从样品806解吸和/或蒸发材料。至少一部分解吸的羽流由收集管808收集，收集管808然后将解吸的材料转移到质谱仪810进行分析。然后质谱仪810可以通过产生解吸分子质量的光谱来分析解吸的材料的化学含量。可以通过扫描仪808在解吸光束下扫描样品，以产生质谱阵列或选定质量的图像。如前所述，IR光束与UV/vis读数结合还可以测量相同区域的IR和/或拉曼光谱。具体地，来自源800的IR光聚焦在样品806上，并且可以用UV/可见光束和/或通过AFM探针814读出所得的光热畸变。UV/vis光由物镜804收集并被引导至接收器816，接收器816可包括UV/vis检测器、光谱仪或两者，如上所述。样品的光热变形的UV/vis测量提供了非常快速和有效的手段，用于对样品进行IR测量扫描，以选择通过热解吸质谱分析的区域。该平台可以提供AFM、IR光谱，激光扫描共焦显微镜，拉曼光谱法和质谱法的任意组合。使用可变波长或宽带UV/可见光源，也可以进行UV/vis光谱法。
图9示出了采用红外辐射的全内反射照射的实施例。IR辐射光束900被聚焦以穿过红外透明基板902，例如棱镜。样品904安装或沉积在棱镜902上。选择光束900的照射角度以在棱镜902的上表面提供全内反射。在这种情况下，只有当折射率足以允许透射到样品中或通过传播到样品中的渐逝场时，才可以照射样品。可以通过IR检测器分析反射光束906，以提供样品的光谱表征，低至由入射光束900的衍射极限限制的空间分辨率的尺度。如前所述，可以使用探针显微镜908的探针和/或来自光源910的UV/可见光束进行IR吸收的亚衍射极限测量。来自UV/vis源910的光由物镜912聚焦，并且反射/散射光可以由相同的物镜收集。至少一部分收集的光被引导朝向接收器914，接收器914可包括UV/vis检测器、光谱仪或两者。由于瞬逝照射，IR光束可以具有非常有限的进入样品的穿透深度，提供改善的表面灵敏度，特别是最接近IR透明棱镜902的表面。
这里描述的实施例是示例性的。可以对这些实施例进行修改、重新布置、替代过程、替代元件等，并且仍然包含在本文阐述的教导内。本文描述的一个或多个步骤、过程或方法可以由适当编程的一个或多个处理和/或数字设备来执行。
取决于实施例，本文描述的任何方法步骤的某些动作、事件或功能可以以不同的顺序执行，可以添加、合并或完全省略(例如，并非所有描述的动作或事件对算法的实施都是必需的)。此外，在某些实施例中，动作或事件可以同时执行，而不是顺序执行。
结合本文公开的实施例描述的各种说明性逻辑块、光学和SPM控制元件以及方法步骤可以实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明这种硬件和软件的可互换性，以上已经在功能方面对各种说明性的部件、块、模块和步骤进行了总体描述。将此功能实施为硬件还是软件取决于特定应用和强加于整个系统的设计约束。所描述的功能可以针对每个特定应用以不同方式实现，但是这种实现决策不应被解释为导致脱离本公开的范围。
结合本文公开的实施例描述的各种说明性逻辑块和模块可以由机器实现或执行，例如配置有特定指令的处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件部件或其任何组合，被设计用于执行本文所述的功能。处理器可以是微处理器，或者，处理器可以是控制器、微控制器或状态机、它们的组合等。处理器还可以实现为计算设备的组合，例如DSP和微处理器、多个微处理器、结合DSP内核的一个或多个微处理器的组合，或任何其他这样的配置。
结合本文公开的实施例而描述的方法、过程或算法的元素可直接实施于硬件中、由处理器执行的软件模块中、或两者的组合中。软件模块可以驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中已知的任何其他形式的计算机可读存储介质中。示例性存储介质可以耦合到处理器，使得处理器可以从存储介质读取信息和向存储介质写入信息。在可替代方案中，存储介质可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以驻留在ASIC中。软件模块可以包括计算机可执行指令，其使硬件处理器执行计算机可执行指令。
除非另有明确说明，或另外在上下文中如使用的那样理解，否则本文使用的条件语句，例如“可以”、“可能”、“可以”、“例如”等通常旨在传达某些实施例包括，而其他实施例不包括某些特征、元件和/或状态。因此，这种条件语句通常不旨在暗示一个或多个实施例以任何方式需要特征、元素和/或状态，或者一个或多个实施例必须包括用于在有或没有作者输入或提示的情况下决定是否这些特征、元素和/或状态包括在任何特定实施例中或将在任何特定实施例中执行的逻辑。术语“包含”、“包括”、“具有”、“涉及”等是同义词并且以开放式方式包含使用，并且不排除附加元素、特征、动作、操作等等。此外，术语“或”以其包含性意义使用(而不是以其排他性意义)，因此当用于，例如，连接元素列表时，术语“或”表示列表中元素的一个、一些或全部。
除非另外特别说明，否则诸如短语“X、Y或Z中的至少一个”之类的析取语言在上下文中被理解为通常用于表示物品、术语等，可以是X、Y或Z，或其任何组合(例如，X、Y和/或Z)。因此，这种析取语言通常不旨在且不应该暗示某些实施例需要X中的至少一个、Y中的至少一个或Z中的至少一个各自存在。
术语“约”或“近似”等是同义词并且用于表示由该术语修饰的值具有与其相关的理解范围，其中该范围可以是±20％、±15％、±10％、±5％或±1％。术语“基本上”用于表示结果(例如，测量值)接近目标值，其中接近可意味着，例如，结果在值的80％内、在值的90％内、在值的95％内、或在值的99％内。
除非另有明确说明，否则诸如“一(a)”或“一个(an)”的制品通常应被解释为包括一个或多个所描述的物品。因此，诸如“一种装置，配置为”短语旨在包括一个或多个所述装置。这样的一个或多个所述装置也可以共同配置为执行所述的记载。例如，“一种处理器，配置为执行记载A、B和C”可以包括配置为执行记载A的第一处理器，其与配置为执行记载B和C的第二处理器一起工作。
虽然以上详细描述已经示出、描述并指出了应用于说明性实施例的新颖特征，但是应当理解，可以在不脱离公开的精神的情况下，对所示的装置或方法的形式和细节进行各种省略、替换和改变。如将认识到的，本文描述的某些实施例可以实施为不提供本文阐述的所有特征和益处的形式，因为一些特征可以与其他特征分开使用或实施。在权利要求的含义和等同范围内的所有变化都包含在其范围内。

Claims (38)

1.一种用亚微米级红外辐射快速表征样品的装置，所述装置包括：
红外辐射源，其配置为用红外辐射光束来照射样品以产生红外照射区域；
紫外-可见辐射源，其配置为用紫外-可见光束照射样品的所述红外照射区域的至少一个区域；
收集器，其配置为收集至少一部分紫外-可见光作为收集的光，所述紫外-可见光是从所述样品散射、反射和折射中的至少一种；
接收器，其配置为分析收集的光，以指示所述红外照射区域的至少一个区域的红外吸收；以及
拉曼光谱仪，其配置为分析所述收集的光以分析所述样品的拉曼响应。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述拉曼响应用于从所述样品的至少一个区域构建至少一个拉曼光谱。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述接收器配置为同时分析所述红外吸收和所述拉曼响应。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述红外吸收和所述拉曼响应以亚微米分辨率确定。
5.一种用亚微米级红外辐射快速表征样品的装置，所述装置包括：
红外辐射源，其配置为用红外辐射光束来照射样品以产生红外照射区域；
紫外-可见辐射源，其配置为用紫外-可见光束照射样品的所述红外照射区域的至少一个区域；
收集器，其配置为收集至少一部分紫外-可见光作为收集的光，所述紫外-可见光是从所述样品散射、反射和折射中的至少一种；以及
接收器，其配置用于共焦光学显微镜，并且还配置为分析所述收集的光，以指示所述样品的所述红外照射区域的至少一个区域的红外吸收。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述接收器包括共焦孔。
7.一种用亚微米级红外辐射快速表征样品的装置，所述装置包括：
红外辐射宽带源，其配置为用红外辐射光束来照射样品，以产生红外照射区域；
紫外-可见辐射源，其配置为用紫外-可见光束照射样品的所述红外照射区域的至少一个区域；
收集器，其配置为收集至少一部分紫外-可见光作为收集的光，所述紫外-可见光是从所述样品散射、反射和折射中的至少一种；以及
接收器，其配置为分析收集的光，以指示所述红外照射区域的至少一个区域的红外吸收。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述宽带源包括热源。
9.根据权利要求7所述的装置，进一步包括调制器，其配置为调制所述红外辐射光束。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述调制器配置为以超过10kHz的频率调制所述红外辐射光束。
11.一种用亚微米级红外辐射快速表征样品的装置，所述装置包括：
红外辐射源，其配置为用红外辐射光束来照射样品以产生红外照射区域；
紫外-可见辐射源，其配置为用紫外-可见光束照射样品的所述红外照射区域的至少一个区域；
收集器，其配置为收集至少一部分紫外-可见光作为收集的光，所述紫外-可见光是从所述样品散射、反射和折射中的至少一种；以及
接收器，其配置为分析所述收集的光，以指示所述样品的红外吸收；
其中所述接收器包括位置敏感检测器和阵列检测器中的至少一个；以及
其中，以小于或等于1微米的空间分辨率测量所述样品的红外吸收。
12.一种用亚微米级红外辐射快速表征样品的装置，所述装置包括：
红外辐射源，其配置为用红外辐射光束来照射样品以产生红外照射区域；
紫外-可见辐射源，其配置为用紫外-可见光束照射样品的所述红外照射区域的至少一个区域；
收集器，其配置为收集至少一部分紫外-可见光作为收集的光，所述紫外-可见光是从所述样品散射、反射和折射中的至少一种；以及
接收器，其配置为分析所述收集的光，以指示所述样品的红外吸收；
其中所述收集器和所述接收器中的至少一个包括滤光器以阻挡至少一部分所述紫外-可见光。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述滤光器包括中央遮拦物。
14.一种用亚微米级红外辐射快速表征样品的装置，所述装置包括：
红外辐射源，其配置为用红外辐射光束照射样品；
第一聚焦光学器件，其配置为聚焦所述红外辐射光束以形成样品的红外照射区域；
紫外-可见辐射源，其配置为用紫外-可见光束照射所述样品的子区域；
第二聚焦光学器件，其配置为将所述紫外-可见光束聚焦在所述样品的子区域，其中所述子区域至少部分地与所述红外照射区域重叠；
收集器，其配置为收集至少一部分紫外-可见光作为收集的光，所述紫外-可见光是所述紫外-可见光束与所述样品的相互作用的散射、反射和折射中的至少一种；
接收器，其配置为分析所述收集的光并提供所述子区域的红外吸收的指示。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述第一聚焦光学器件具有至少0.7的数值孔径。
16.根据权利要求14所述的装置，其中所述第二聚焦光学器件包括抛物面反射镜。
17.根据权利要求14所述的装置，其中所述紫外-可见光束照射所述样品的小于所述红外照射区域的子区域。
18.根据权利要求14所述的装置，其中所述收集器包括物镜，所述物镜进一步配置为将所述红外辐射光束和所述紫外-可见光束中的至少一种聚焦在所述样品上。
19.根据权利要求14所述的装置，其中所述收集器包括物镜，并且其中紫外-可见辐射源和所述物镜布置成使得所述紫外-可见光束通过所述物镜聚焦在所述样品上，并且通过所述物镜收集所收集的紫外-可见光。
20.一种用亚微米级红外辐射快速表征样品的方法，所述方法包括：
用红外辐射光束照射样品以产生红外照射区域；
用紫外-可见光束照射所述样品的所述红外照射区域的至少一个区域；
收集至少一部分紫外-可见光作为收集的光，其中所述紫外-可见光是从所述样品散射、折射和反射中的至少一种；
分析所述收集的光以确定所述红外照射区域的至少一个区域的红外吸收；以及
分析所述收集的光以检测所述样品的拉曼响应。
21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括从所述拉曼响应构造至少一个拉曼光谱。
22.根据权利要求20所述的方法，进一步包括同时分析所述红外吸收和所述拉曼响应。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述红外吸收和所述拉曼响应以亚微米分辨率确定。
24.一种用亚微米级红外辐射快速表征样品的方法，所述方法包括：
用红外辐射光束照射样品以产生红外照射区域；
用紫外-可见光束照射所述样品的所述红外照射区域的至少一个区域；
收集至少一部分紫外-可见光作为收集的光，其中所述紫外-可见光是从所述样品散射、折射和反射中的至少一种；
在配置用于共焦光学显微镜的接收器处分析所述收集的光，其中分析所述收集的光包括确定所述红外照射区域的至少一个区域的红外吸收。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述接收器包括共焦孔。
26.一种用亚微米级红外辐射快速表征样品的方法，所述方法包括：
用来自红外辐射宽带源的红外辐射光束照射样品，以产生红外照射区域；
用紫外-可见光束照射所述样品的所述红外照射区域的至少一个区域；
收集至少一部分紫外-可见光作为收集的光，其中所述紫外-可见光是从所述样品散射、折射和反射中的至少一种；
分析所述收集的光以确定所述红外照射区域的至少一个区域的红外吸收；以及
分析所述收集的光以检测所述样品的拉曼响应。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述红外辐射宽带源包括热源。
28.根据权利要求26所述的方法，进一步包括在调制器处调制所述红外辐射光束。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述调制器配置为以超过10kHz的频率调制所述红外辐射光束。
30.一种用亚微米级红外辐射快速表征样品的方法，所述方法包括：
用来自红外辐射源的红外辐射光束照射样品以产生红外照射区域；
用紫外-可见光束照射所述样品的所述红外照射区域的至少一个区域；
收集至少一部分紫外-可见光作为收集的光，所述紫外-可见光是从所述样品散射、折射和反射中的至少一种；以及
在具有位置敏感检测器和阵列检测器的接收器处分析所述收集的光，以确定所述红外照射区域的至少一个区域的红外吸收，其中以小于或等于1微米的空间分辨率测量所述红外照射区域的红外吸收。
31.一种用亚微米级红外辐射快速表征样品的方法，所述方法包括：
用红外辐射光束照射样品以产生红外照射区域；
用紫外-可见光束照射所述样品的所述红外照射区域的至少一个区域；
收集至少一部分紫外-可见光作为收集的光，所述紫外-可见光是从所述样品散射、折射和反射中的至少一种；
在接收器处分析所述收集的光以确定所述红外照射区域的至少一个区域的红外吸收；以及
用布置在所述收集器和所述接收器中的至少一个上的滤光器来阻挡至少一部分所述紫外-可见光。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述滤光器包括中央遮拦物。
33.一种用亚微米级红外辐射快速表征样品的方法，所述方法包括：
用红外辐射光束照射样品；
用第一聚焦光学器件将所述红外辐射光束聚焦在所述样品的红外照射区域；
用紫外-可见光束照射所述样品的所述红外照射区域的至少一个区域；
用第二聚焦光学器件将所述紫外-可见光束聚焦在所述样品的子区域，所述子区域部分地重叠所述红外照射区域；
收集至少一部分紫外-可见光作为收集的光，所述紫外-可见光是从所述样品散射、折射和反射中的至少一种；以及
分析所述收集的光以确定所述红外照射区域的至少一个区域的红外吸收。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述第一聚焦光学器件具有至少0.7的数值孔径。
35.根据权利要求33所述的方法，其中所述第二聚焦光学器件包括抛物面反射镜。
36.根据权利要求33所述的方法，其中所述紫外-可见光束照射所述样品的子区域，所述子区域小于所述红外照射区域。
37.根据权利要求33所述的方法，其中所述收集器包括物镜，所述物镜进一步配置为将所述红外辐射光束和所述紫外-可见光束中的至少一个聚焦在所述样品上。
38.根据权利要求33所述的方法，其中所述收集器包括物镜，并且其中所述紫外-可见辐射源和所述物镜布置成使得所述紫外-可见光束通过所述物镜聚焦在所述样品上，并且通过所述物镜收集所收集的紫外-可见光。
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Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10677722B2 (en) 2016-04-05 2020-06-09 University Of Notre Dame Du Lac Photothermal imaging device and system
EP3867629A1 (en) 2016-09-27 2021-08-25 Purdue Research Foundation Depth-resolved mid-infrared photothermal imaging of living cells and organisms with sub-mciron spatial resolution
CN110300883B (zh) * 2016-11-29 2022-05-10 光热光谱股份有限公司 用于增强光热成像和光谱的方法和设备
JP6863578B2 (ja) * 2017-04-19 2021-04-21 日本分光株式会社 赤外顕微鏡
US10942116B2 (en) * 2017-10-09 2021-03-09 Photothermal Spectroscopy Corp. Method and apparatus for enhanced photo-thermal imaging and spectroscopy
US11486761B2 (en) 2018-06-01 2022-11-01 Photothermal Spectroscopy Corp. Photothermal infrared spectroscopy utilizing spatial light manipulation
US10458965B1 (en) * 2018-08-15 2019-10-29 P & P Optica Inc. Device and system for optically analyzing food products
JP6684875B2 (ja) * 2018-09-13 2020-04-22 株式会社片岡製作所 分光分析装置
CN112823279A (zh) * 2018-10-11 2021-05-18 株式会社岛津制作所 显微分光装置、以及显微分光方法
US11867627B2 (en) * 2018-10-12 2024-01-09 Washington University Compact guided diffuse optical tomography system for imaging a lesion region
US11493323B2 (en) 2019-01-03 2022-11-08 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Infrared-optical hybrid imaging technology for all-digital histopathology
US10845248B1 (en) * 2019-05-01 2020-11-24 Trustees Of Boston University Systems and methods for bond-selective transient phase imaging
US11480518B2 (en) 2019-12-03 2022-10-25 Photothermal Spectroscopy Corp. Asymmetric interferometric optical photothermal infrared spectroscopy
JP2023513479A (ja) * 2020-01-31 2023-03-31 フォトサーマル・スペクトロスコピー・コーポレーション 高性能な広視野赤外分光法及びイメージングのための装置及び方法
US11079405B1 (en) * 2020-05-05 2021-08-03 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Method and apparatus for detecting ferroelectric signal
CN111474142B (zh) * 2020-05-21 2021-08-03 中南大学 一种利用近红外1550nm激光器检测微塑料浓度的方法
US20230129884A1 (en) 2020-07-20 2023-04-27 Photothermal Spectroscopy Corp. Fluorescence enhanced photothermal infrared spectroscopy and confocal fluorescence imaging
CN113189102A (zh) * 2021-04-29 2021-07-30 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 双波长双共焦激光显微测量装置与测量方法
NL2028376B1 (en) * 2021-06-03 2022-12-15 Nearfield Instr B V Method of and arrangement for verifying an alignment of an infinity-corrected objective.
CN113484290A (zh) * 2021-06-18 2021-10-08 中国科学院上海技术物理研究所 共聚焦显微红外调制光致发光谱实验装置及测试方法
CN113866079A (zh) * 2021-09-26 2021-12-31 中国科学院长春应用化学研究所 一种原位检测样品紫外老化性能的方法及装置
US11619649B1 (en) 2021-11-26 2023-04-04 Park Systems Corp. Atomic force microscope equipped with optical measurement device and method of acquiring information on surface of measurement target using the same
JP7346778B2 (ja) 2021-11-29 2023-09-20 パーク システムズ コーポレーション 光学測定装置が装着された原子顕微鏡及びこれを利用して測定対象の表面の情報を得る方法
WO2023250466A2 (en) * 2022-06-23 2023-12-28 Syncell (Taiwan) Inc. Microscope-based system and method using a uv-transmissible mirror

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9046492B1 (en) * 2011-11-07 2015-06-02 Anasys Instruments Corp. Stimulated raman nanospectroscopy

Family Cites Families (59)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2940355A (en) 1956-03-02 1960-06-14 Applied Physics Corp Raman spectrophotometer
US5208648A (en) * 1991-03-11 1993-05-04 International Business Machines Corporation Apparatus and a method for high numerical aperture microscopic examination of materials
US6265711B1 (en) * 1994-07-28 2001-07-24 General Nanotechnology L.L.C. Scanning probe microscope assembly and method for making spectrophotometric near-field optical and scanning measurements
WO2002048660A1 (en) * 2000-12-13 2002-06-20 Spelman College Multiplex coherent raman spectroscopy detector and method
US7230708B2 (en) 2000-12-28 2007-06-12 Dmitri Olegovich Lapotko Method and device for photothermal examination of microinhomogeneities
US6850323B2 (en) 2001-02-05 2005-02-01 California Institute Of Technology Locally enhanced raman spectroscopy with an atomic force microscope
SE0101004D0 (sv) * 2001-03-21 2001-03-21 Astrazeneca Ab New measuring technique
US6897951B2 (en) * 2003-02-14 2005-05-24 Raman Systems, Inc. Probe assemblies for Raman spectroscopy
US7583380B2 (en) * 2003-03-11 2009-09-01 Koninklijke Philips Electronics N.V. Spectroscopic analysis apparatus and method with excitation system and focus monitoring system
EP1639350A1 (en) * 2003-06-19 2006-03-29 Koninklijke Philips Electronics N.V. Analysis apparatus and method comprising auto-focusing means
US8009294B2 (en) 2003-09-22 2011-08-30 Celight, Inc. Chemical sensing system and method
US7277178B2 (en) 2003-09-22 2007-10-02 Celight, Inc. Coherent photothermal interferometric spectroscopy system and method for chemical sensing
BRPI0417654A (pt) * 2003-12-16 2007-04-03 Konink Fhilips Electronics N V método e aparelho para espectroscopia ótica
US7403281B2 (en) * 2004-05-07 2008-07-22 University Of Wyoming Raman spectrometer
WO2006055736A1 (en) * 2004-11-16 2006-05-26 Illumina, Inc. And methods and apparatus for reading coded microbeads
US8628727B2 (en) * 2005-04-08 2014-01-14 Northwestern University Compositions, devices and methods for SERS and LSPR
US7630081B2 (en) 2007-01-12 2009-12-08 Sas Photonics, Llc Interferometer maintaining optical relationship between elements
US8869602B2 (en) * 2007-05-15 2014-10-28 Anasys Instruments Corp. High frequency deflection measurement of IR absorption
US8001830B2 (en) 2007-05-15 2011-08-23 Anasys Instruments, Inc. High frequency deflection measurement of IR absorption
US8402819B2 (en) 2007-05-15 2013-03-26 Anasys Instruments, Inc. High frequency deflection measurement of IR absorption
KR100860947B1 (ko) * 2007-06-08 2008-09-30 한국표준과학연구원 적외선 비선형 분자진동 분광 이미징 장치
US7855780B1 (en) 2007-06-13 2010-12-21 University Of South Florida Combined fiber-optic absorption and emission measurement apparatus
US8101915B2 (en) * 2007-10-24 2012-01-24 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Detection of chemicals with infrared light
WO2009085772A2 (en) * 2007-12-20 2009-07-09 The Regents Of The University Of California Laser-assisted nanomaterial deposition, nanomanufacturing, in situ monitoring and associated apparatus
JP5216509B2 (ja) * 2008-03-05 2013-06-19 株式会社日立製作所 走査プローブ顕微鏡およびこれを用いた試料の観察方法
US8955161B2 (en) 2008-11-13 2015-02-10 Bruker Nano, Inc. Peakforce photothermal-based detection of IR nanoabsorption
US8242448B2 (en) 2010-02-23 2012-08-14 Anasys Instruments Corporation Dynamic power control, beam alignment and focus for nanoscale spectroscopy
US8646319B2 (en) 2010-02-23 2014-02-11 Anasys Instruments Corp. Dynamic power control for nanoscale spectroscopy
DE102010013830A1 (de) 2010-03-26 2011-09-29 Carl Zeiss Microlmaging Gmbh Mikroskop und Verfahren zur mikroskopischen Erfassung von Licht einer Probe
BR112012025738A2 (pt) * 2010-04-09 2016-06-28 Univ Northeastern sistema de formação de imagem infravermelho baseado em laser sintonizável e seu método de utilização
DE202010010932U1 (de) * 2010-04-19 2011-10-07 Witec Wissenschaftliche Instrumente Und Technologie Gmbh Vorrichtung zur Abbildung einer Probenoberfläche
US8941062B2 (en) 2010-11-16 2015-01-27 1087 Systems, Inc. System for identifying and sorting living cells
DE102010063412B4 (de) 2010-12-17 2013-06-06 Laser Zentrum Hannover E.V. Technik zur tomographischen Bilderfassung
US9134341B2 (en) 2011-01-05 2015-09-15 Craig Prater Multiple modulation heterodyne infrared spectroscopy
US10163141B2 (en) * 2011-07-08 2018-12-25 Trimble Navigation Limited Transaction-based fuel purchase authorization
US9121755B2 (en) * 2011-09-08 2015-09-01 Thermo Electron Scientific Instruments Llc Emission and transmission optical spectrometer
WO2013078471A1 (en) 2011-11-25 2013-05-30 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Chemical mapping using thermal microscopy at the micro and nano scales
US9222878B2 (en) 2012-01-20 2015-12-29 Purdue Research Foundation Method and device for optical imaging with a resonant amplifier assembly
JP6115562B2 (ja) 2012-03-07 2017-04-19 ソニー株式会社 観測装置、観測プログラム及び観測方法
US8680457B2 (en) 2012-05-07 2014-03-25 Lighting Science Group Corporation Motion detection system and associated methods having at least one LED of second set of LEDs to vary its voltage
US8646110B1 (en) * 2012-11-27 2014-02-04 Xiaoji Xu Method to obtain absorption spectra from near-field infrared scattering using homodyne detection
US9658247B2 (en) 2013-03-15 2017-05-23 Anasys Instruments Method and apparatus for infrared scattering scanning near-field optical microscopy with high speed point spectroscopy
US9372154B2 (en) 2013-03-15 2016-06-21 Anasys Instruments Method and apparatus for infrared scattering scanning near-field optical microscopy
US8793811B1 (en) 2013-03-15 2014-07-29 Anasys Instruments Method and apparatus for infrared scattering scanning near-field optical microscopy
US9400271B2 (en) * 2013-12-18 2016-07-26 Thermo Scientific Portable Analytical Instruments Inc. Method and apparatus for temperature control during sample analysis
WO2015179702A1 (en) * 2014-05-22 2015-11-26 Multiprobe, Inc. Apparatus and method for atomic force, near-field scanning optical microscopy
DE102014108424B3 (de) 2014-06-16 2015-06-11 Johann Wolfgang Goethe-Universität Nicht-invasive Stoffanalyse
US9482691B1 (en) * 2015-08-04 2016-11-01 Actoprobe, Llc Atomic force microscopy active optical probe
US20170127983A1 (en) 2015-11-10 2017-05-11 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for sampling calibration of non-invasive analyte measurements
US10228389B2 (en) 2015-12-02 2019-03-12 Bruker Nano, Inc. Method and apparatus for infrared scattering scanning near-field optical microscopy with background suppression
CN105699358B (zh) 2016-04-29 2018-08-31 重庆大学 基于石墨烯与纳米金复合的表面拉曼及红外光谱双增强探测方法
EP3502669B1 (en) 2016-08-18 2021-10-20 Horiba, Ltd. Antibody analyzer, antibody analysis method, and associated computer readable medium
WO2018039246A1 (en) 2016-08-22 2018-03-01 Bruker Nano, Inc. Infrared characterization of a sample using peak force tapping
US10241131B2 (en) 2016-08-28 2019-03-26 Bruker Nano, Inc. Method and apparatus for chemical and optical imaging with a broadband source
EP3867629A1 (en) * 2016-09-27 2021-08-25 Purdue Research Foundation Depth-resolved mid-infrared photothermal imaging of living cells and organisms with sub-mciron spatial resolution
US10228388B2 (en) 2016-10-29 2019-03-12 Bruker Nano, Inc. Method and apparatus for resolution and sensitivity enhanced atomic force microscope based infrared spectroscopy
CN110300883B (zh) 2016-11-29 2022-05-10 光热光谱股份有限公司 用于增强光热成像和光谱的方法和设备
US10473693B2 (en) 2017-03-09 2019-11-12 Bruker Nano, Inc. Method and apparatus for infrared scanning near-field optical microscopy based on photothermal effect
US10942116B2 (en) 2017-10-09 2021-03-09 Photothermal Spectroscopy Corp. Method and apparatus for enhanced photo-thermal imaging and spectroscopy

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9046492B1 (en) * 2011-11-07 2015-06-02 Anasys Instruments Corp. Stimulated raman nanospectroscopy

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Publication number Publication date
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WO2018102470A1 (en) 2018-06-07
CN110234982A (zh) 2019-09-13

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