Broadband coherent Raman microscopy

Coherent Raman Spectroscopy is a successful chemical investigation technique, entirely non-invasive and label-free, based on the vibrational response of the molecular bonds. Related research and studies are going on since more than fifty years. Owing to its great selectivity and specificity, applications are several, including for example biomedical optics, solid state physics and drug recognition. In this work a different approach is developed a with respect to the ones present nowadays in literature. Indeed, the mostly used techniques are the so called "single-colour Raman" (i.e. the investigation of a single molecular vibration at time). What is proposed here is innovative, meaning that we are able to detect more than a single vibrational mode at a time, increasing the quantity of information provided by a single measurement. This approach is called "Broadband Raman", made possible by femtosecond laser sources thanks to the femtosecond laser sources. The two employed techniques are, namely, CARS("Coherent anti-Stokes Raman scattering") and SRS("Stimulated Raman scattering"). in their broadband version. Firstly all the physical principles and processes are explained. Afterwards I will describe the experimental apparatus, together with the discussion and interpretation of experimental data, are described for both the configurations. Regarding the CARS, the results obtained are still preliminary, but however significant, because the development of the experiment is in progress. Conversely for SRS it is demonstrated a radically novel approach, based on the detection on the time domain (Fourier Transform detection), through the use of a special type of interferometer, entirely developed at Politecnico di Milano. The results are promising for possible future application in the medical field (e.g. distinguish healthy tissue from tumor tissue).

La Spettroscopia Raman coerente è una tecnica di indagine chimica, completamente non invasiva, basata sulla risposta vibrazionale dei legami atomici. Il suo grande successo e le sue potenzialità fanno sì che gli studi e le applicazioni correlate si sviluppino da più di cinquanta anni. Grazie alla sua selettività e specificità, le applicazioni sono molteplici, dall’ottica biomedica, passando per la fisica dello stato solido, per arrivare all’individuazione di farmaci. In questa tesi viene sviluppato un approccio diverso rispetto alla maggior parte di quelli presenti oggigiorno in letteratura. Infatti le tecniche più usate ad oggi sono le così dette "Raman a singolo colore" (ovvero l’investigazione di una sola vibrazione molecolare alla volta). Ciò che viene proposto qui invece è innovativo, nel senso che quello che viene investigato e rivelato è più di un modo vibrazionale alla volta aumentando quindi la quantità di informazioni presenti in una singola misura. Questo approccio è chiamato "Raman a banda larga" (Broadband Raman) reso possibile dal recente sviluppo delle sorgenti laser a femtosecondi. In questa tesi ho sviluppato due approcci diversi di spettroscopia Raman coerente: CARS ("Coherent anti-Stokes Raman scattering") e l’SRS ("Stimulated Raman scattering") nella versioni a banda larga. Dapprima saranno illustrati i principi fisici e i processi alla base di queste tecniche. Successivamente verranno descritte le modalità di progettazione dell’apparato sperimentale insieme alla discussione e interpretazione dei dati sperimentali per entrambe le configurazioni. Per quanto riguarda il CARS i risultati ottenuti sono ancora preliminari, ma comunque significativi, poichè l’implementazione sperimentale è ancora in via di sviluppo. Per l’SRS invece è stato dimostrato un approccio completamente nuovo, basato sulla rivelazione nel dominio del tempo (Fourier Transform detection), tramite uno speciale tipo di interferometro progettato all’interno del Politecnico di Milano. I risultati sono molto promettenti per future possibili applicazioni nel campo della medicina (ad esempio per la distinzione tra tessuti sani e tessuti tumorali) e dell’ottica biomedica.