Generazione di impulsi ultrabrevi nel vicino infrarosso per spettroscopia elettronica bidimensionale

In this thesis work I describe my contribution for the realization of a two stage Optical Parametric Amplifier, pumped by a Ti:Sapphire laser system, that allow us to generate sub-10 fs pulses in the NIR spectral region. Our aim is to use these ultrabroad band to perform ultrafast spectroscopy experiments, which allow to explore the dynamics of system by measuring its optical polarization response. In particular we will focus on the two-dimensional electronic spectroscopy (2DES), which is the most complete technique that fully characterize the third order nonlinear polarization P(3). Thanks to 2DES one can reveal the coupling between electronic transitions, monitor the energy flow in complex system or study the inhomogeneous broadening in spectral congested samples. Besides these huge advantages compared with other non linear spectroscopical techniques, 2DES requires a very complex setup and a careful data-analysis. Recently, a new compact device suitable for 2DES spectroscopy has been developed at physics department of Politecnico di Milano, based on the birefringence of crystals. Part of my thesis activity focused on the optimization of this device for the implementation of 2DES experiments in the NIR spectral region. I performed preliminary measuraments on the photosyntetic purple bacteria. By pumping the set-up with the ultrashort NIR pulse generated with the OPA. The results obtained are very promising for the comprension of the energy transfer, and can be used to understand energy transfer mechanisms in photosyntetic complexes.

Questa tesi sperimentale, svolta presso i laboratori di ottica ultraveloce del dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, è concentrata sulla realizzazione di un impulso ultracorto a banda larga nella regione del vicino infrarosso con durata inferiore ai 10 fs per applicazioni di spettroscopia ottica non lineare risolta in tempo. Nel primo capitolo ho descritto la teoria dell’ottica non lineare, analizzando la generazione di impulsi ultracorti a banda larga. Nel secondo capitolo si è svolta la realizzazione di un amplificatore ottico parametrico non collineare (NOPA), capace di generare impulsi stabili con durata inferiore a 10 fs, in una regione spettrale centrata a 800 nm. Per far ciò è stato necessario realizzare un NOPA a due stadi, a causa della difficoltà di generare un seme stabile attorno agli 800 nm (lunghezza d’onda della fondamentale del sistema laser utilizzato). Successivamente mi sono occupato della caratterizzazione di questi impulsi, focalizzandomi sulla tecnica FROG, rielaborando un programma Labview per l’elaborazione delle mappe FROG (Appendice B) Nella seconda parte del mio lavoro di tesi mi sono concentrato sulla spettroscopia elettronica bidimensionale degenere (2DES): il terzo capitolo descrive la teoria della 2DES, descrivendo le tipologie di informazioni estraibili da questa tipologia di esperimenti. Nel quarto capitolo mi sono occupato della descrizione del nostro apparato sperimentale recentemente implementato al Politecnico di Milano per la spettroscopia 2DES. Mentre nel quinto ho utilizzato l’impulso a banda larga per eccitare un complesso fotosintetico estratto da batteri rossi, realizzando un esperimento di spettroscopia 2DES per studiare le dinamiche ultraveloci di trasferimento di energia.