The aim of this thesis is to design a 32-channel modular system, lock-in based, for Raman spectroscopy applications. This work was conducted as part of the VIBRA project - Very fast Imaging by Broadband coherent RAman - aimed by Dario Polli in the Department of Physics of Politecnico di Milano. Every organic compound is characterized by a unique vibrational spectrum, linked to its molecular structure, also called "fingerprint". Raman Spectroscopy exploits this phenomenon to obtain useful information for the material identification and analysis. The goal of VIBRA project, indeed, is to build a microscope for real-time non-invasive characterization of tissues, capable of distinguishing cancerous cells from healthy ones. To simultaneously acquire all the wavelengths of interest, the samples interact with a broadband laser beam composed of femtosecond pulses with 80MHz repetition rate. The resulting signals are acquired in parallel by the 32-channel system developed in this work of thesis, in order to obtain the sample "fingerprint". This thesis first examines the physics behind Raman Spectroscopy and perform a signals and noise analysis to introduce the main design specifications. After that, a 4-channel prototype is described, as a starting point for the design of the final system. In the central part of the thesis, the design and testing of the 32-channel system is presented. This is finally applied to the characterization of a sample in a real optical setup for broadband spectroscopy and the experimental results are showed.

Questo lavoro di tesi fa parte del progetto VIBRA (Very fast Imaging by Broadband coherent RAman) finanziato dall’European Research Council (ERC) e coordinato dal Prof. Dario Polli del dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano. Lo scopo è quello di realizzare un microscopio basato sulla Spettroscopia Raman a banda larga, per l’analisi di tessuti tumorali in tempo reale. Ogni composto organico è caratterizzato da un suo spettro vibrazionale, dato dalla sua struttura molecolare, che permette di identificarlo in modo univoco. Grazie a questo fenomeno è quindi possibile individuare e classificare diversi tessuti in pochi secondi e con maggiore precisione rispetto alle tecniche convenzionali, che prevedono un’analisi specializzata in laboratorio da parte di un medico. Tale tecnica permette, utilizzando solo una piccola quantità di campione biologico, di compiere misure non invasive sul materiale senza richiedere reagenti e non necessitando di contatto. Il campione viene fatto interagire con una luce laser impulsata e la risposta ottica è analizzata per ricavare lo spettro vibrazionale all’interno della banda del laser. Se la banda del laser non risulta sufficiente a coprire lo spettro Raman di interesse, diviene necessario ripetere, sulla stessa porzione di campione, più misure a lunghezze d’onda differenti del laser, andando così a rallentare l’intero procedimento. Il laser utilizzato nel progetto VIBRA è in grado di generare impulsi con frequenza di ripetizione di 80 MHz, di durata inferiore ai 20 fs e con una banda che permette di stimolare in una sola misura l’intero spettro Raman di interesse. Ipotizzando di voler ottenere una immagine di 100 x 100 pixels ogni secondo, il sistema da progettare deve riuscire ad acquisire ed elaborare l’intero spettro Raman (compreso tra 100cm−1 e 3500cm−1) per ogni singolo pixel in meno di 100μs (anche chiamato pixel dwell time: tdwell = 100μs) . Per riuscirci viene utilizzata la spettroscopia Raman broadband con acquisizione parallela: la risposta ottica del campione contenente le informazioni sullo spettro Raman, viene suddivisa spazialmente in funzione della lunghezza d’onda e direzionata su un array di fotodiodi. In questo modo ogni frazione dello spettro viene campionata da un singolo fotodiodo posto a monte di un canale di acquisizione. Il presente progetto ha lo scopo di progettare e realizzare un sistema elettronico modulare a 32 canali, in grado quindi di acquisire ed elaborare 32 porzioni dell’intero spettro Raman contemporaneamente. Tale lavoro è stato sviluppato presso il Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria (DEIB), all’interno del laboratorio diretto dal Prof. Marco Sampietro. Il presente testo è dunque stato suddiviso come segue: Nel Capitolo 1 dopo aver brevemente introdotto la fisica dietro alla Spettroscopia Raman, viene presentato il setup ottico utilizzato per il sistema progettato. Infine, in seguito ad un’analisi tempo/frequenza dei segnali in gioco e del rumore, vengono riassunte tutte le specifiche necessarie per la progettazione del sistema. Nel Capitolo 2 viene descritto il prototipo a quattro canali precedentemente progettato, utilizzato come punto di partenza per lo sviluppo di questo progetto. Nel Capitolo 3 viene introdotta la struttura del sistema a 32 canali. Successivamente è descritta la progettazione delle schede che lo costituiscono. Infine nel Capitolo 4 sono descritte la progettazione della PCB e tutti i test di collaudo eseguiti sulle schede progettate. Infine sono presentati i primi risultati sperimentali ottenuti utilizzando il sistema a 32 canali.