Что такое лазерный микроскоп?

Что такое лазерный микроскоп?

Лазерный микроскоп — это тип оптического микроскопа, в котором образец можно наблюдать, сканируя лазерный луч к источнику света.

Обычно он использует конфокальную оптику и также называется конфокальным лазерным сканирующим микроскопом или CLSM. Лазерный микроскоп имеет высокое пространственное разрешение не только в горизонтальном направлении (XY), но и в вертикальном направлении (Z), поскольку конфокальная оптика может исключать свет от поверхностей, находящихся вне фокуса.

Поэтому, измеряя изображения микроскопа, сдвигая их в направлении высоты, можно получить трехмерное изображение или изображение, полностью находящееся в фокусе.

Применение лазерных микроскопов

Поскольку лазерные микроскопы используют свет для измерения, нет необходимости прикасаться к образцу. По этой причине лазерные микроскопы используются в промышленной сфере для наблюдения за трехмерными формами и профилями поверхности точных приборов, таких как полупроводники и электронные компоненты. Они также используются в области естественных наук для наблюдения за клетками и биологическими тканями, помеченными флуоресцентными веществами.

Некоторые производители предлагают индивидуальные измерительные столики для лазерных микроскопов, что позволяет измерять большие образцы, такие как большие плоские дисплеи.

Принцип работы лазерных микроскопов

Рисунок 1. Сравнение оптических и лазерных микроскопов

Лазерные микроскопы похожи на типичную конфигурацию оптических микроскопов из линз и зеркал, но используют лазер в качестве источника света и спроектированы как конфокальная оптическая система. Лазерный свет характеризуется однородной длиной волны и фазой испускаемого света, а также его превосходной монохроматичностью, направленностью и линейностью.

Поскольку обычный свет имеет разные фазы и длины волн, оптические пути не выровнены, и отраженный свет, генерируемый при облучении образца, перекрывается рассеянным светом, что затрудняет получение четкого изображения. С другой стороны, в лазерных микроскопах точечное отверстие размещается в том месте, где отраженный свет фокусируется посредством пропускания через линзу и отражения от образца. Таким образом, избыточный свет, такой как рассеянный свет, может быть устранен. В результате можно получить чистые изображения с четкими контурами.

Кроме того, существует два метода получения двухмерных изображений с помощью лазерных микроскопов: один заключается в перемещении столика, а другой — в перемещении лазерного механизма. Особенности каждого метода следующие.

• Метод перемещения столика
  Можно измерять широкую область, но размер столика ограничен, поэтому большие образцы не могут быть измерены.
• Метод перемещения лазерного механизма
  Можно измерять широкий диапазон размеров образцов, а также можно измерять поверхностные микроструктуры.

Метод сканирования лазерных микроскопов

Рисунок 2. Метод сканирования лазерного микроскопа

Существуют различные способы сканирования с помощью лазерных микроскопов. Например, сканирование с помощью гальванического зеркала подразумевает механическое перемещение зеркала, но для увеличения скорости можно использовать метод MEMS-сканера или резонансного сканера.

Метод вращающегося диска используется для высокоскоростных измерений, при которых лазерный луч направляется на диск, выложенный множеством микролинз и массивов точечных отверстий, чтобы улавливать множество лучей света, одновременно отраженных от образца. Этот метод позволяет получать большой объем информации за раз, но требует мощного лазера, который имеет достаточную интенсивность даже при некотором распространении.

Другая информация о лазерных микроскопах

1. Различия между лазерными микроскопами и электронными микроскопами

Электронный микроскоп — это еще один тип микроскопа с большим увеличением, но принципы работы этих приборов не идентичны. Лазерные микроскопы используют свет, тогда как электронные микроскопы используют электронные лучи, а увеличение, оборудование и методы измерения сильно различаются.

Поскольку электроны имеют очень короткую длину волны по сравнению с видимым светом, разрешение электронной микроскопии очень высокое; сканирующие электронные микроскопы (СЭМ) могут наблюдать структуры размером до нескольких нанометров. Лазерные микроскопы, с другой стороны, не могут наблюдать структуры на длинах волн короче их собственных и имеют разрешение всего несколько сотен нанометров.

Оборудование, используемое для лазерной микроскопии и электронной микроскопии, сильно различается. Электронная микроскопия использует электронный луч и требует измерения в вакууме. Кроме того, когда высокоизолирующие материалы измеряются с помощью электронных микроскопов, электронный луч может вызвать накопление заряда на поверхности, искажая изображение, и существуют другие ограничения, поэтому необходимо соблюдать осторожность, чтобы определить, каковы уникальные физические свойства образца.

Кроме того, как метод измерения, электронная микроскопия требует искусных методов вырезания поверхности и оптимизации условий наблюдения. С другой стороны, лазерные микроскопы могут использоваться более универсально, чем электронные микроскопы, поскольку в них нет накопления электрического заряда, а вырезание поверхности не требует точности.

2. Измерение шероховатости поверхности с помощью лазерных микроскопов

Конфокальные лазерные микроскопы могут измерять шероховатость поверхности образца бесконтактным способом. Хотя атомно-силовая микроскопия является наиболее распространенным методом измерения шероховатости поверхности образца, конфокальная лазерная микроскопия имеет преимущество бесконтактного измерения. Наоборот, разрешение отличается от разрешения атомно-силового микроскопа, поэтому соответствующий инструмент следует выбирать в зависимости от шероховатости поверхности образца.