Ultrafast spectroscopy on porphyrins-arrays for light harvesting

Ultrafast spectroscopy is an interdisciplinary powerful tool. The studying of the ultrafast dynamical processes is significant in chemical, solid-state, and biological materials. Research in ultrafast optics started roughly fifty years ago, and although this field is now tremendously active. In this thesis I will focus on the pump probe spectroscopy, an ultrafast spectroscopy technique. Pump probe spectroscopy is an advanced third-order non linear spectroscopic technique, allowing us to study the ultrafast dynamics of a system by measuring the optical polarization response. This thesis is focused on the unique pump probe spectroscopy setup in the edge of the visible range, for the purpose of investigating the dynamics of the monomer, dimer and hexamer free base porphyrin molecules. The porphyrin sample was synthesized in an innovative method in order to mimic the natural porphyrin that can be found in photosynthesis bacteria in nature. In the first chapter I introduce the porphyrin molecule. I discuss its molecular structure, its molecular energy levels and its absorption spectrum. In the second chapter I present the ultrashort pulse generation theory. I discuss the nonlinear optical generation in second and third order, and I elaborate about how it is used during the development of the experiment setup. In the third chapter I discuss the pump probe spectroscopy. I explain the theory and the setup configuration that is used in order to investigate the molecular dynamics which appear in a very short time (~30 fs). After the introduction of the theory that my experiment is based on, I present the setup which is based on the pump probe technique. The pump pulse I generated is between 385 and 450 nm, allowing to excite electronic transitions in the porphyrin samples. The probe pulse is a white light, covering the range from 420 to 740 nm. Afterward, I present the uniqueness of the sample, its molecular structure and its absorption spectra. Furthermore, I introduce the global analysis method I used for the analysis of the experiment results. In the last chapter, I present my experimental results. I discuss the ultrafast dynamic of the porphyrin free base samples. I elaborate on the differences and the similarities between the monomer, dimer and hexamer and I show the time constants of the samples.

Pump probe spectroscopy una tecnica spettroscopica avanzata third-order non linear, che consente di studiare la dinamica ultraveloce di un sistema misurando la risposta di polarizzazione ottica. Questa tesi è incentrata sull'esclusiva pump probe spectroscopy setup nel bordo dell'intervallo visibile, allo scopo di indagare la dinamica delle molecole di porfirina di base monomero, dimero ed esamero. Il campione di porfirina è stato sintetizzato in un metodo innovativo al fine di simulare la porfirina naturale che può essere trovata nei batteri della fotosintesi in natura. Nel primo capitolo introdurrò la molecola di porfirina. Discuto la sua struttura molecolare, i suoi livelli di energia molecolare e il suo spettro di assorbimento. Nel secondo capitolo presenterò la teoria della ultrashort pulse generation. Discuto della generazione ottica non lineare in second and third order, e approfondisco come viene utilizzata durante lo sviluppo della configurazione dell'esperimento. Nel terzo capitolo discuto la pump probe spectroscopy. Spiego la teoria e la configurazione di setup che viene utilizzata per indagare le dinamiche molecolari che appaiono in un tempo molto breve (~ 30 fs) Dopo l'introduzione della teoria su cui si basa il mio esperimento, presento il setup che si basa sulla pump probe technique. L'impulso della pompa I generato è compreso tra 385 e 450 nm, consentendo di eccitare transizioni elettroniche nei campioni di porfirina. L'impulso della sonda è una luce bianca, che copre l'intervallo da 420 a 740 nm. Successivamente, presento l'unicità del campione, la sua struttura molecolare e i suoi spettri di assorbimento. Inoltre, introduco il metodo di analisi globale che ho usato per l'analisi dei risultati dell'esperimento. Nell'ultimo capitolo, presento i miei risultati sperimentali. Discuto la dinamica ultraveloce dei campioni di base libera da porfirina. Elaboro le differenze e le somiglianze tra monomero, dimero ed esamero e mostro le costanti di tempo dei campioni.