用于形貌和力学高精度成像的分光瞳共焦布里渊显微镜

轴向聚焦灵敏度是衡量系统沿轴线探测最小光强差能力的指标，它直接决定了三维成像的轴向测量能力。为此，研究人员采用平面镜和单晶硅片对分光瞳共焦布里渊显微镜和共焦布里渊显微镜的轴向聚焦灵敏度进行了验证。物镜由校准的物镜扫描仪驱动以5 nm的步长轴向移动，光电倍增管测量的曲线I_D零点附近的反射光强度，如图3(A)所示。随着反射镜的离焦，形成了清晰的阶跃轮廓，表明分光瞳共焦布里渊显微镜的轴向聚焦灵敏度可达5 nm。同样，研究人员利用硅片测试了共焦布里渊显微镜的轴向聚焦灵敏度。图3(B)显示了由共焦布里渊显微镜获得的硅的光谱强度，表明轴向聚焦灵敏度为500 nm。

 

图3 轴向聚焦灵敏度测量结果。(a) 分光瞳共焦布里渊显微镜。(b) 共焦布里渊显微镜。

此外，研究人员对电子束光刻制备的样品进行了共焦布里渊显微镜和分光瞳共焦布里渊显微镜成像，这是一种涂覆在硅片上的聚甲基丙烯酸甲酯亚微米图形。由聚甲基丙烯酸甲酯光谱强度形成的成像结果分别如图4(A)和图4(B)所示。图像大小为120×60像素，扫描步长为60 nm。单光谱采集时间为5 s，共焦布里渊显微镜总成像时间为36000 s，分光瞳共焦布里渊显微镜总成像时间为36720 s。分光瞳共焦布里渊显微镜相对于共焦布里渊显微镜成像时间的延长由轴向聚焦过程引起。在成像过程中，分光瞳共焦布里渊显微镜不断地利用反射光获得的共焦曲线对样品表面进行聚焦跟踪。物镜随着样品的高度改变轴向位置，使扫描点始终位于系统的焦平面内。由于分光瞳共焦布里渊显微镜通过高灵敏度的轴向聚焦确保了在每个扫描位置具有最小激发光斑尺寸的力学成像，因此，可以清晰地成像样品上的400 nm周期性区域。相比之下，共焦布里渊显微镜只能在成像前使用显微图像进行一次轴向聚焦。在成像过程中，物镜不能随着样品的高度动态移动，即系统的焦面不变。激发光斑大小随着样品形貌的变化而不断变化，只能分辨出600 nm的周期区域。因此，从图4可以看出，分光瞳共焦布里渊显微镜更好的成像效果得益于聚焦能力的提高。

 

图4 成像测量结果。(a) 分光瞳共焦布里渊显微镜。(b) 共焦布里渊显微镜。

抗漂移能力直接关系到系统的稳定性。为了验证分光瞳共焦布里渊显微镜的抗漂移能力，研究人员使用共焦布里渊显微镜和分光瞳共焦布里渊显微镜在Su-8微柱阵列上进行布里渊成像，这是微流体和MEMS中常用的微结构。图5(a)为Su-8微柱的白光图像，红色方块表示扫描区域。最初，样品被移动到系统的焦平面上进行光谱扫描。在光谱扫描过程中，研究人员逐渐均匀地移动Z台以使样品散焦。在扫描结束时，Z平台轴向移动了5 µm。共焦布里渊显微镜和分光瞳共焦布里渊显微镜的Su-8布里渊散射强度成像结果分别如图5(b)和图5(c)所示。图像尺寸为240×240像素，扫描步长为1 µm。单光谱采集时间为10 s。 法布里-珀罗干涉仪的镜面间距和镜面扫描范围分别为2 mm和250 nm。

由于共焦布里渊显微镜在系统受到干扰后无法进行焦点跟踪，导致样品失焦，图像因散焦而退化，导致布里渊强度图像与样品外观不一致。此外，光谱强度最终降低了大约63%。光谱强度的降低表明布里渊散射在样品散焦后可能无法激发。由于分光瞳共焦布里渊显微镜使用构建的分光瞳共焦系统进行焦点跟踪，因此，无论轴向移动引起的散焦如何，样品表面都保持在焦点上。在分光瞳共焦布里渊显微镜获得的实验结果中没有出现共焦布里渊显微镜中存在的光谱强度的降低。分光瞳共焦布里渊显微镜通过反射光进行轴向聚焦，以保证布里渊散射的激发强度。分光瞳共焦布里渊显微镜可以消除在长期光谱成像过程中由于环境干扰和温度变化引起的漂移，从而表明它与共焦布里渊显微镜相比具有优越的系统稳定性。

 

图5 Su-8微柱图像。 (a) 白光图像。(b)-(c)分别由共焦布里渊显微镜和分光瞳共焦布里渊显微镜拍摄的布里渊强度图像。

图6(a)显示了分光瞳共焦布里渊显微镜和共焦布里渊显微镜检测到的鸡胸组织的布里渊光谱。激光通过物镜以10 mW的功率聚焦在组织玻璃界面附近，法布里-珀罗干涉仪的单次采集时间为10 s。镜面间距和镜面扫描范围分别为2 mm和100 nm。十次采集后的平均结果，如图6(a)所示。由于共焦布里渊显微镜同时检测到反射光和布里渊散射光，因此，检测到的布里渊光谱受到样品界面附近反射光的影响。相反，分光瞳共焦布里渊显微镜通过暗场设置有效地消除了光谱中的反射光分量，采集到的光谱中心峰强度远低于共焦布里渊显微镜，大大降低了布里渊光谱的背景光。

研究人员分别在分光瞳共焦布里渊显微镜和共焦布里渊显微镜 的目标焦平面上放置了一个反射器。激光通过衰减器和物镜聚焦在反射镜上，同时激发反射光和散射光。在这两个系统中，研究人员使用法布里-珀罗干涉仪来记录不同光谱频率下的光谱强度。在分光瞳共焦布里渊显微镜中，法布里-珀罗干涉仪仅通过暗场设置收集散射光而法布里-珀罗干涉仪同时收集 共焦布里渊显微镜中的反射光和散射光。光谱强度除以相应的激光功率并乘以相应的衰减器光密度。通过重新调整光谱强度重建光谱的结果，如图6(b)所示，这是分光瞳共焦布里渊显微镜和共焦布里渊显微镜的消光比。镜面间距和镜面扫描范围分别为2 mm和230 nm。显然，分光瞳共焦布里渊显微镜的消光比比 共焦布里渊显微镜提高了20 dB以上。

 

图6 (a) 共焦布里渊显微镜和分光瞳共焦布里渊显微镜测量的鸡胸组织布里渊光谱。(b) 共焦布里渊显微镜和分光瞳共焦布里渊显微镜的消光比。

在半导体器件和微纳尺度测量领域，器件的三维轮廓、弹性特性和热力学参数的分布直接决定了器件的性能和可靠性。因此，样品的原位形貌成像和力学映射对于分析接口故障和微型器件的工作机制具有重要意义。因此，为了举例说明，研究人员使用分光瞳共焦布里渊显微镜在SG3524芯片上进行成像，评估分光瞳共焦布里渊显微镜成像特性，这是一种常用的双通道可调脉宽调制控制器。

图7(a)显示了芯片的显微图像并表示了图7(b)中形貌图像的扫描区域。扫描范围为64 × 64 µm²，扫描步长为0.64 µm。图7(c)显示了图7(a)所示点 A 的布里渊光谱以及考虑孔径展宽和系统卷积的光谱拟合结果。因此，通过对每个扫描点的频谱进行拟合，可以得到图 7(d)所示的原位布里渊频移映射。这里，对应于图7(d)中红色、绿色和蓝色三个区域的布里渊频移分别为33.70 ± 0.13 GHz、18.44 ± 0.07 GHz和15.28 ± 0.09 GHz。通过布里渊位移、密度和折射率，可以直接得到样品的弹性模量等力学参数信息。这些参数与样品的力学和热力学性质密切相关。准确的测量可以揭示芯片的机理，对微结构设计和分析具有重要意义。

 

图7 分光瞳共焦布里渊显微镜获得的SG3524芯片图像。 (a) 显微图像。(b) 形貌图。(c) 点A的布里渊谱。(d) 布里渊频移映射。(e) 暗场图像。(f) 形貌图像与布里渊映射的融合图像。

图7(e)显示了分光瞳共焦布里渊显微镜通过检测到的瑞利散射光强度获得的暗场图像。由于消除了反射光的串扰，瑞利散射光在边缘和微小颗粒处发生了显着变化，提供了有关样品的更多细节。

由于 分光瞳共焦布里渊显微镜使用相同的激发点同时进行共聚焦成像和布里渊映射，图7(b)中的形貌信息和图7(d)中的光谱信息逐像素对应。通过融合两幅图像的信息，研究人员可以获得如图7(f)所示的融合图像，其中，包含形貌信息和力学信息。坐标轴的数值代表样品的三维结构，颜色区分不同区域的布里渊频移。此外，研究人员还通过测量的光学散焦和闭环反馈将激发光斑重新聚焦到样品表面，从而确保分光瞳共焦布里渊显微镜在复杂形貌样品和长时间成像过程中进行高精度布里渊映射。

目前，在材料科学和生物医学等领域，迫切需要一种高性能的共焦布里渊显微镜，以实现生物检测和材料分析的高精度力学映射。然而，目前的共焦布里渊显微镜在成像过程中无法在样品表面实现快速、高灵敏度的聚焦跟踪。因此，由样品的三维形貌引起的散焦会降低成像质量和光谱强度。同时，目前的共焦布里渊显微镜还缺乏快速聚焦能力，无法在长时间成像过程中提高系统稳定性。此外，传统的共焦布里渊显微镜通过消除反射光来提高消光比，只能获得样品的粘弹性信息。

研究证明了原位反射光和布里渊散射光通过分光瞳技术在空间上分离。与传统的共焦布里渊显微镜相比，分离的反射光通过移动共焦轴向曲线实现了纳米级的轴向聚焦灵敏度。轴向聚焦灵敏度和横向分辨率分别可以达到5 nm 和400 nm，如图3和图4所示。研究人员还利用获得的样品光学散焦进行力学反馈并抑制共焦布里渊显微镜过程中的轴向漂移耗时长的成像，如图5所示。此外，从反射光中提取布里渊散射光也显着提高了消光比，使系统更适合多层生物组织样本的机械成像，这在图6中得到验证。

由于分光瞳共焦布里渊显微镜充分利用了传统共焦布里渊显微镜所摒弃的反射光，不仅提高了成像性能，而且获得的样本信息也大大增加。研究还表明，分光瞳共焦布里渊显微镜可以同时获得形貌和布里渊数据，如图7所示。这种光学设置能够实现准确和精确的原位三维形貌成像、高消光比力学映射和暗场成像，这是对纳米级机械特征的成像具有重要意义，特别是对于薄膜涂层和芯片制造和测试过程中的非平面样品。例如，通过分光瞳共焦布里渊显微镜 可以同时获得生物和医学设计材料的原位形貌和弹性信息，这将有助于更好地了解材料的生化功能。

总之，研究人员实现了一种具有高轴向聚焦能力和高稳定性的分光瞳共焦布里渊显微镜。具体而言，轴向聚焦灵敏度已提高到5 nm。此外，暗场设置有效地减少了镜面反射，使消光比显着提高了20 dB。此外，分光瞳共焦布里渊显微镜同时实现了原位形貌成像、布里渊成像和暗场成像，可以提供准确且信息丰富的图像，从而为布里渊显微镜在材料工程和生物成像领域的应用开辟了新途径。