Compact and low-power module for time-resolved diffuse optical spectroscopy

This thesis work aims at designing and characterizing a compact module for time resolved diffuse optical spectroscopy. The improvements offered with respect to state-of-art instruments are presented together with a brief description of some applications where this module may be successfully exploited (functional near infrared spectroscopy, diffuse optical imaging, non destructive quality control of agricultural products). The main building blocks of the instrument are described in terms of circuit schematics, components choice and sizing, with a focus on the development of compact pulsed lasers and the control unit. The developed system has been fully characterized, demonstrating outstanding performance: maximum repetition rate up to 40 MHz, instrument response function narrower than 300 ps, optical pulse peak energy higher than 50 pJ and long time thermal stability better than ±1%, still with a power consumption lower than 10 W. The module features also compact form-factor, high reliability and ease of use.

Questo lavoro di tesi mira allo sviluppo ed alla caratterizzazione di un modulo compatto per spettroscopia ottica di mezzi diffondenti risolta nel tempo. Inizialmente sono presentati i miglioramenti offerti rispetto agli attuali strumenti ed una descrizione dei possibili campi applicativi dove questo modulo può essere impiegato (spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso, imaging ottico di mezzi diffondenti, controllo non distruttivo della qualità di prodotti agroalimentari). Nella sezione di progetto sono presentati tutti i componenti del sistema, ponendo particolare enfasi sullo sviluppo dei laser impulsati e dell’unità di controllo. Successivamente viene descritta la caratterizzazione sperimentale del sistema, nella quale sono verificate le funzionalità elettriche e le prestazioni raggiunte. I risultati ottenuti collocano questo modulo ai vertici dello stato dell'arte, grazie ad una frequenza di ripetizione fino a 40 MHz, risposta temporale dello strumento più stretta di 300 ps, energia di picco dell’impulso ottico superiore a 50 pJ e stabilità termica e nel tempo entro ±1%, allo stesso tempo garantendo un consumo di potenza inferiore a 10 W. Il modulo offre inoltre ingombro ridotto, alta affidabilità e facilità di utilizzo.