Vista-IR-S 红外光谱成像系统

尽管光诱导力显微镜（PiFM）具备~5纳米空间分辨率及对有机/无机材料的单分子层检测灵敏度等卓越特性，但其无法分离样品极化率的实部与虚部。散射式扫描近场光学显微镜（s-SNOM，亦称无孔径近场扫描光学显微镜）由IBM的Kumar Wickramasinghe团队首次实现[1]，该技术在标准PiFM系统基础上增配远场探测器以采集复近场信号（区别于PiFM通过力传感器检测的方式）。通过集成干涉仪，近场信号可分解为实部与虚部组分。图1展示了s-SNOM系统的结构示意图。可见若移除虚线框内组件，该系统与标准PiFM配置完全相同；事实上，虚线框内组件可作为可选模块为Vista-IR系统增配s-SNOM功能。图2显示干涉仪参考臂的探测器（黄色虚线框）与压电驱动镜（白色虚线框），这些组件可在仪器购置后随时加装至Vista-IR系统。

与PiFM不同，s-SNOM必须有效抑制远场信号并选择性检测近场信号。实现该目标的有效方法是使原子力显微镜在f0（第一机械共振模态）下以轻敲模式工作，并在驱动频率谐波nf0（n=1,2,3…）处检测散射信号。由于无论探针靠近或远离表面时远场信号均应保持稳定（高频谐波下更甚），系统采用锁相放大器（LIA）锁定nf0频率的散射信号，从而选择性收集近场光子。为测量近场信号的光学相位，系统增设了如图1所示的迈克尔逊干涉仪。参考臂通常包含由压电元件正弦驱动（频率fM）的反射镜。当该参考光束与近场信号发生干涉时，干涉信号的傅里叶频谱将在mfM频率处产生谐波边带（图1所示）。由于信号分散于多个谐波，需对至少一个奇次谐波和一个偶次谐波进行锁相检测以重建振幅与相位信息。通过合理选择相位调制深度，可忽略其他谐波分量（因所选两个谐波已包含主要信号）。该近场振幅与相位提取方法已获专利保护，通常称为”伪外差”技术[1]。

MVI系统采用一项名为”广义锁相放大器（GLIA）”的专利技术[2]。GLIA是一种专用数字锁相放大器，其利用与探测器接收信号具有相同谐波频率组的两个正交参考信号——即cos(f_R)与sin(f_R)，其中f_R = asin(2pf_Mt)表示所施加的相位调制。当采用GLIA对干涉信号进行解调时，可精准且简易地确定近场信号的振幅与相位，其效果犹如标准锁相放大器仅处理单一边带。通过多重锁相放大器（MLIA，本例中为双谐波边带解调）与GLIA的仿真对比表明，GLIA相比最优化的MLIA方法至少具有2倍以上的信噪比（SNR）优势（参见图3）。图4展示了采用GLIA技术在1400 cm⁻¹波数下对六方氮化硼（hBN）采集的形貌图、s-SNOM振幅与相位图像。需特别注意GLIA对背景干扰的有效抑制效果。

再次参考图1，Vista-IR系统可同步采集s-SNOM（振幅与相位）和PiFM数据，因为VistaScope配备多通道锁相放大器及GLIA模块。通过精确匹配干涉仪光路，脉冲量子级联激光器（QCL）可同时服务于PiFM与s-SNOM检测。图5展示了在1060 cm⁻¹波数下对全半导体等离激元光栅（由高掺杂InAsSb（形貌图上部区域）与未掺杂GaSb（形貌图下部区域）线条组成）同步采集的形貌、PiFM、s-SNOM振幅及s-SNOM相位数据。由于两种技术均测量偶极-镜像偶极相互作用的近场响应，PiFM与s-SNOM振幅图像高度吻合。两项技术具有互补性：PiFM对介电函数变化具有更高灵敏度（如PiFM图像中与形貌变化相关的特征所示——最右侧GaSb线条呈现更高对比度以显示形貌变化），而干涉式s-SNOM可提供额外相位信息。更多PiFM与s-SNOM对比研究参见文献[3]。

凭借QCL的功率优势与快速扫描能力，可获取高光谱s-SNOM数据（即在每个像素点采集s-SNOM光谱），这与hyPIR技术（在每个像素点采集IR PiFM光谱）高度相似。以下链接展示hBN材料的高光谱s-SNOM数据视频：https://youtu.be/gG6zjnkXfAw. 

参考文献

[1] F. Zehnahusern et al., Science 269, 1083 (1995)

[2] A. Al Mohtar et al., Optics Exp. 22 (18), 22232 (2014)

[3] Y. Huang et al., ACS Photonics 5, 4352 (2018)