[发明专利]用于增强光热成像和光谱的方法和设备

说明书

利用结合分析和包括具有共聚焦显微镜的双光束光热谱、拉曼光谱、荧光检测、各种真空分析技术和/或质谱的成像技术的多功能平台，对纳米级到毫米级以上的样品进行化学光谱分析的系统。在本文描述的实施例中，双光束系统的光束用于加热和感测。

优先权

本申请中描述的实施例和技术的各个方面在2016年11月29日提交的序列号62/427,671，2017年5月12日提交的序列号62/505,533，2017年8月1日提交的序列号62/540,008，2017年8月6日提交的序列号62/541,749，2017年10月2日提交的序列号62/567,037以及2017年10月9日提交的序列号62/569,944的美国临时申请中描述，其中每一个的公开内容在此引入作为参考。

技术领域

本说明书涉及通过使用光学装置，即使用红外线、可见光或紫外光来研究或分析材料。本文描述的实施例涉及成像和光谱，并且更具体地，涉及对光热成像和光谱系统以及用于获取指示样品的光学性质和/或材料/化学组成的光谱信息(例如，与红外(IR)吸收光谱相关的信息)的技术的改进。

背景技术

傅里叶变换红外(FTIR)光谱是最常见的IR光谱形式。FTIR通过测量红外光透过样品的透射或来自样品的IR光的反射作为波数(红外光的频率的测量)的函数来工作。基于FTIR的显微镜结合了FTIR光谱仪和显微镜光学系统，以提供红外吸收、透射和/或反射的空间分辨测量。传统的FTIR显微镜只能实现大约IR光波长的空间分辨率。基本极限由光学衍射确定，并且由IR光的波长和IR照射和/或收集光学器件的数值孔径设定。实际限制可能进一步降低该空间分辨率。FTIR显微镜的空间与波长有关，但对于中IR波长，透射率大约为10微米。例如，在美国专利号7,630,081中示出了FTIR光谱法的示例，该专利描述了对FTIR干涉仪的最新改进。FTIR光谱可能不够精确，并且涉及大量样品制备以确保中IR光束适当地透过样品，这对于许多不透明、易碎或生物物质来说是不可行或不可取的。

衰减全反射(ATR)光谱是基于光束通过与样品直接接触的介入晶体的间接反射。ATR光谱只能使用中IR光束实现大约3微米的分辨率。遗憾的是，ATR光谱必然要求介入晶体与样品直接接触，这会导致样品变形或破裂，并且需要大量的样品制备，特别是对于有机样品。此外，晶体和样品之间的反射或折射需要两者之间的良好接触。如果没有建立良好的接触，则光可以基于样品和晶体之间的材料的折射率而不是基于样品本身的性质来反射或折射。

拉曼光谱基于响应于中IR光束照射样品的拉曼散射的测量。拉曼光谱可以实现低至几百纳米的分辨率，但通常具有1微米或更大的实际限制。例如，在美国专利号2,940,355中示出了拉曼光谱方法的早期示例。尽管拉曼光谱可以实现低至几百纳米的分辨率，但是从该方法产生的信息包括拉曼散射中固有的噪声或色散伪像。

美国专利号9,091,594描述了用于化学光谱和成像的光热光谱的替代非破坏性方法，其使用两束不同波长的光来实现亚微米空间分辨率，但是以非接触方式并且没有与上述ATR或FTIR技术相关的繁重样品制备要求。该方法描述了用具有至少2.5微米波长的IR光的第一光束照射样品，以便由于吸收来自第一光束的能量而在样品内的区域中产生光热变化，然后描述了用波长小于2.5微米的光的第二光束照射样品内的至少一部分区域，用来以小于第一光束的衍射极限的分辨率检测该区域的光热变化。

尽管美国专利号9,091,594中描述的替代双光束光热光谱技术提供了优于中IR光谱和成像的三种一般方法的显著优点，但是对这种新的光热技术的进一步增强和改进是期望的。

发明内容