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。
搭配低温恒温器样品腔，可实现低温成像
设备特点
独特光路设计，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。
BIGFOOT+NESSIE应用案例：
1. 高精度激光扫描显微镜用于材料表征
美国密歇根大学课题组通过使用基于非线性四波混频（FWM）技术的多维相干光谱MDCS测量先进材料的非线性响应，利用激子退相和激子寿命来评估先进材料的质量。课题组使用通过化学气相沉积生长的WSe2单分子层作为一个典型的例子来证明这些功能。研究表明，提取材料参数，如FWM强度、去相时间、激发态寿命和暗/局部态分布，比目前普遍的技术，包括白光显微镜和线性微反射光谱学，可以更准确地评估样品的质量。在室温下实时使用超快非线性成像具有对先进材料和其他材料的快速原位样品表征的潜力。
(a)通过拟合时域单指数衰减得到的样本的去相时间图，在图(a)中用三角形标记的选定样本点处的FWM振幅去相曲线
【参考】Eric Martin, et al; Rapid multiplex ultrafast nonlinear microscopy for material characterization. Optics Express 30, 45008 (2022).
2.二维材料中激子相互作用和耦合的成像研究
过渡金属二卤代化合物（TMDs）是量子信息科学和相关器件领域非常有潜力的材料。在TMD单分子层中，去相时间和非均匀性是任何量子信息应用的关键参数。在TMD异质结构中，耦合强度和层间激子寿命也是值得关注的参数。通常，TMD材料研究中的许多演示只能在样本上的特定点实现，这对应用的可拓展性提出了挑战。美国密歇根大学课题组使用了多维相干成像光谱（Multi-dimensional coherent spectroscopy, 简称MDCS），阐明了MoSe2单分子层的基础物理性质——包括去相、不均匀性和应变，并确定了量子信息的应用前景。此外，课题组将同样的技术应用于MoSe2/WSe2异质结构研究。尽管存在显著的应变和电介质环境变化，但相干和非相干耦合和层间激子寿命在整个样品中大多是稳健的。
（a）hBN封装的MoSe2/WSe2异质结构的白光图像。（b）MoSe2/WSe2异质结构在图（a）中的标记的三个不同样本点处的低功率低温MDCS光谱。（c）图（b）中所示的四个峰值的FWM(Four-Wave Mixing)四波混频积分图。（d）MoSe2/WSe2异质结构上的MoSe2共振能量图。（e）MoSe2/WSe2异质结构的WSe2共振能量图。（f）所有采样点的MoSe2共振能量与WSe2共振能量
【参考】Eric Martin, et al; Imaging dynamic exciton interactions and coupling in transition metal dichalcogenides, J. Chem. Phys. 156, 214704 (2022)
3. 掺杂MoSe2单层中吸引和排斥极化子的量子动力学研究
当可移动的杂质被引入并耦合到费米海时，就形成了被称为费米极化子的新准粒子。费米极化子问题有两个有趣但截然不同的机制： (i)吸引极化子（AP）分支与配对现象有关，跨越从BCS超流到分子的玻色-爱因斯坦凝聚；（ii）排斥分支（RP），这是斯通纳流动铁磁性的物理基础。二维系统中的费米极化子的研究中，许多关于其性质的问题和争论仍然存在。美国德克萨斯大学奥斯汀分校李晓勤教授课题组使用了Monstr Sense公司的全共线多功能超快光谱仪BIGFOOT研究了掺杂的MoSe2单分子层。课题组发现观测到的AP-RP能量分裂和吸引极化子的量子动力学与极化子理论的预测一致。随着掺杂密度的增加，吸引极化子的量子退相保持不变，表明准粒子稳定，而排斥极化子的退相率几乎呈二次增长。费米极化子的动力学研究对于理解导致其形成的配对和磁不稳定性至关重要。
单层MoSe2在不同栅极电压下的单量子重相位振幅谱
【参考】Di HUANG, et al; Quantum Dynamics of Attractive and Repulsive Polarons in a Doped MoSe2 Monolayer, PHYSICAL REVIEW X 13, 011029 (2023)
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）
