High-speed and low-noise multichannel electronics for broadband coherent raman imaging

The main objective of this study is to present an innovative 32-channel readout and acquisition system for broadband Raman imaging, combining a low-noise pseudo-differential front-end based on the lock-in technique, with a parallel acquisition and real-time data elaboration. This work is conducted as part of VIBRA - Very fast Imaging by Broadband coherent RAman - an ERC project headed by Prof. Dario Polli of the Physics Department of Politecnico di Milano (Italy). The final aim of VIBRA is to develop an innovative Raman microscope for real-time and non-invasive imaging of cells and tissues, which promises to make a revolutionary impact on many fields of biology and medicine as a ground-breaking tool for tumour identification and analysis. A broadband laser, containing the Raman information over a wide range of wavelengths, is spatially diffused on a photodiode array so that each wavelength of the spectrum can be separately acquired by a specific element of the array and amplified simultaneously with a custom multichannel lock-in amplifier. An analog pseudo-differential processing of the signals reduces the noise added by the laser allowing a shot noise limited detection of the Raman signal. Once validated the acquisition scheme with a discrete-components prototype by acquiring a first Raman spectrum, a 4-ch system, operating a custom IC based on the same scheme, is designed and tested. Finally, particular emphasis is placed on the hardware description of a 32-ch modular platform for high-speed Broadband Raman Imaging, based on a Xilinx FPGA and the custom IC. With an average power of approximately 300μW on each photodiode, both the 4-ch and 32-ch systems can correctly acquire a Raman image with a time constant of 10μs, goal of VIBRA, validating the proper operation of the whole Raman microscope, from the optics to the electronics and graphical user interface.

L'obiettivo principale di questo lavoro è quello di presentare un innovativo sistema di acquisizione a 32 canali per l'imaging Raman a banda larga, combinando un front-end pseudo-differenziale a basso rumore basato sulla tecnica lock-in, con un'acquisizione parallela ed elaborazione dati in tempo reale. Questo lavoro è condotto nell'ambito di VIBRA - Very fast Imaging by Broadband coherent RAman - un progetto ERC condotto dal Prof. Dario Polli del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano. L'obiettivo finale di VIBRA è sviluppare un innovativo microscopio Raman per l'imaging in tempo reale e non invasivo di cellule e tessuti, che promette di avere un impatto rivoluzionario su molti campi della biologia e della medicina come strumento innovativo per l'identificazione e l'analisi dei tumori. Un laser a banda larga, contenente le informazioni Raman su una vasta gamma di lunghezze d'onda, viene diffuso spazialmente su un array di fotodiodi in modo che ciascuna lunghezza d'onda dello spettro possa essere acquisita separatamente da un elemento specifico dell'array e amplificata simultaneamente con un lock-in multicanale custom. L'acquisizione pseudo-differenziale permette di ridurre il rumore di modo comune del laser consentendo una misura del segnale Raman limitata del rumore shot. Una volta validato lo schema di acquisizione, acquisendo un primo spettro Raman con un prototipo a componenti discreti, viene progettato e testato un sistema a 4 canali, che utilizza un circuito integrato custom basato sullo stesso schema. Infine viene data particolare enfasi alla descrizione hardware di una piattaforma modulare a 32 canali per l'imaging Raman Broadband ad alta velocità, basata su una FPGA Xilinx ed il circuito integrato custom. Con una potenza media di circa 300μW su ciascun fotodiodo, entrambi i sistemi a 4 canali e 32 canali possono acquisire correttamente un'immagine Raman con una costante di tempo di 10μs, obiettivo di VIBRA, dimostrando il corretto funzionamento dell'intero microscopio Raman, dal sistema ottico a quello elettronico e interfaccia grafica.