Broadband stimulated Raman scattering : towards time-encoded detection

Coherent Raman scattering (CRS) is a class of third-order light-matter interactions used for non-invasive, label-free and non-destructive imaging in biological samples, with application in the field of biology, medicine and chemistry. It is based on the Raman scattering effect that exploits the vibrational modes of molecules to differentiate them. Indeed, each sample has a chemical structure that determines a peculiar vibrational spectrum, which provides a signature that can be exploited for the identification of molecules. The two most widely applied implementations of CRS are Coherent Anti-Stokes Raman scattering (CARS) and Stimulated Raman Scattering (SRS). In this thesis, the theory, implementations and applications of Coherent Raman Scattering to perform imaging and spectroscopy will be discussed. Chapter 1 describes all the physical processes at the basis of CRS and its main implementations; Chapter 2 deals with the main physical effects leading to white light generation. Chapter 3 explains linear propagation in dielectric media of ultrashort-pulses, emphasizing the topic concerning pulse propagation in single-mode fibers and Chapter 4 describes Frequency Resolved Optical Gating (FROG), a technique to characterize ultrashort pulses. Chapter 5 focuses the attention on the description of the experimental setup which has been completely realized in the laboratory by me and my supervisors. The setup is meant to implement broadband CRS, through which one can acquire a full Raman spectrum of the sample under analysis, allowing one to distingush different components within a heterogeneous system. Using a 268 fs laser pulse at 1035 nm , 60 W average power and working at 2 MHz repetition rate, we generate two beams. The first one, the pump, is a narrowband beam at 1035±1 nm and 1 ps duration shrunk in bandwidth by means of an etalon; the second one, called 'Stokes', is produced through white light generation in a YAG-crystal such that it has a broad spectrum spanning 1050-1500 nm and 200 fs duration. These two beams are spatially and temporally synchronized and collinearly sent to the sample. After the sample, the vibrational spectrum is retrieved measuring the CARS signal by means of a spectrometer and implementing two novel time-encoded techniques for SRS detection, namely Photonic-Time Stretch SRS (PTS-SRS) and Fourier Transform SRS (FT-SRS). Together with the setup description, all the measurements and techniques involved in the characterization of the pulses are discussed. Eventually, measurements of CARS and FT-SRS spectra of some solvents, generally used as test samples, are shown.

Lo Scattering Raman Coerente (dall'inglese "Coherent Raman Scattering", CRS) è una classe di interazioni radiazione-materia del terzo ordine utilizzate per l'imaging non invasivo, senza marcatori e non distruttivo in campioni biologici, con applicazione nel campo della biologia, della medicina e della chimica. Si basa sull'effetto di scattering Raman che sfrutta i modi vibrazionali delle molecole per differenziarle. In effetti, ogni campione ha una struttura chimica che determina uno spettro vibrazionale peculiare. Tale spettro fornisce una firma che viene sfruttata per l'identificazione delle molecole. Le due implementazioni più ampiamente utilizzate di CRS sono lo Scattering Coerente Raman Anti-Stokes (indicato anche con l'acronimo inglese CARS, da "Coherent anti-Stokes Raman Scattering") e lo Scattering Raman Stimolato (indicato con l'acronimo inglese SRS, da "Stimulated Raman Scattering"). In questa tesi verranno discussi la teoria, le implementazioni e le applicazioni dello Scattering Raman Coerente per la spettroscopia e la microscopia. Il capitolo 1 descrive tutti i processi fisici alla base del CRS e le sue principali implementazioni. Il capitolo 2 tratta i principali effetti fisici che portano alla generazione di luce bianca. Il capitolo 3 spiega la propagazione lineare in mezzi dielettrici di impulsi ultracorti, ponendo l'accento sulla propagazione degli impulsi nelle fibre a singolo modo e il capitolo 4 descrive la FROG ("Frequency Resolved Optical Gating"), una tecnica per caratterizzare gli impulsi ultracorti. Il capitolo 5 focalizza l'attenzione sulla descrizione della con figurazione sperimentale che è stata completamente realizzata in laboratorio da me e dai miei supervisori. Lo schema sperimentale ha lo scopo di implementare il CRS a banda larga, attraverso il quale è possibile acquisire uno spettro Raman completo del campione in analisi, consentendo di distinguere componenti diversi all'interno di un sistema eterogeneo. Usando un impulso laser a 268 fs a 1035 nm, 60 W di potenza media e lavorando a una frequenza di ripetizione di 2 MHz, generiamo due raggi. Il primo, la pompa, è un fascio a banda stretta a 1035±1 nm e durata 1 ps, la cui banda è ristretta per mezzo di un etalon; il secondo, chiamato Stokes, è prodotto attraverso la generazione di luce bianca in un cristallo YAG in modo tale da avere un ampio spettro che copre dai 1050 ai 1500 nm e durata 200 fs. Questi due raggi sono sincronizzati spazialmente e temporalmente e inviati collinearmente al campione. Dopo il campione, lo spettro vibrazionale viene recuperato misurando il segnale CARS per mezzo di uno spettrometro e implementando due nuove tecniche codificate nel tempo per il rilevamento del segnale SRS, vale a dire "Photonic Time Stretch-SRS" (PTS-SRS) ed SRS a trasformata di Fourier ("Fourier Transform SRS", FT-SRS) . Insieme alla descrizione del setup, vengono discusse tutte le misure e le tecniche coinvolte nella caratterizzazione degli impulsi. Alla fine, vengono mostrate le misurazioni degli spettri CARS e FT-SRS di alcuni solventi, generalmente utilizzati come campioni di prova.