Time-domain diffuse optics beyond the traditional limits of single-photon statistics

The study of photon propagation in diffusive media allows to examine the composition of the material. The use of time-domain techniques permits to reconstruct absorption and diffusion optical properties of probed medium, starting from the distribution of the arrival times of photons to the detector. Among the advantages of this method, there is the possibility, in theory, of probing diffusive medium well in depth and with high accuracy. For years, these benefits have not been accessed due to two limitations: a limited light-harvesting capability of the detectors used, and a too slow timing electronics that cannot properly process high incoming signals. The technologies currently studied in research laboratories or commercially allow to overcome all these obstacles, having high useful signal to the detector. A new need arises: to work beyond the single photon statistics, a common constraint used in diffuse optics experiments, in order to use all the input signal. The thesis addresses the effects of this overcoming in reconstructing the optical properties of homogeneous media and in detecting localized perturbations. Time-resolved reflectance curve simulations are conducted for this study. The analysis follows the methodology of two of the protocols used for diffuse optics instruments performance assessment. Although the main distorting effect (pile-up) is present, it has been shown that the common restriction on the maximum count rate, due to single-photon statistic (400kHz per 40 MHz source), has been widely overcome. A good reconstruction of absorption is allowed up to tens of millions of counts per second, while that of the reduced scattering coefficient is limited to a few million. Too deep inhomogeneities cannot be successfully detected and count rates higher than tens of millions of photon count are not recommended for this purpose. The pile-up correction is critical to achieve better results and enables theoretical count rates of hundreds of millions of counts per second.

Studiare la propagazione di fotoni nei mezzi diffusivi permette di esaminare la composizione del materiale. L’uso di tecniche di rivelazione nel dominio del tempo permette di ricostruire le proprietà ottiche di assorbimento e di diffusione del mezzo, a partire dalla distribuzione dei tempi di arrivo dei fotoni al rivelatore. Tra i vantaggi di tale metodo, vi è la possibilità, in teoria, di sondare ben in profondità e con buona accuratezza i mezzi diffusivi. Per anni non si è potuto accedere a tali benefici a causa di due limitazioni: una ristretta capacità di raccolta di fotoni dei rivelatori impiegati, ed una elettronica di temporizzazione troppo lenta, da non processare correttamente un segnale elevato in ingresso. Le tecnologie attualmente studiate nei laboratori di ricerca o in commercio permettono di superare tutti questi ostacoli, avendo, così, molto segnale utile al rivelatore. Una nuova necessità è sorta: lavorare oltre la statistica di singolo fotone, comune vincolo usato negli esperimenti di ottica diffusa, per sfruttare tutto il segnale utile in ingresso. La tesi affronta gli effetti di tale superamento nel ritrovare le proprietà ottiche di mezzi omogenei e nel rivelare perturbazioni localizzate. Sono state condotte per questo studio delle simulazioni di curve di riflettanza tempo-risolte. L’analisi è stata effettuata con la metodologia propria di due dei protocolli utili a valutare le prestazioni degli strumenti di ottica diffusa. Sebbene il principale effetto distorcente (pile-up) fosse presente, si è dimostrato che si può superare ampiamente la comune restrizione sul tasso di conteggio massimo, legata alla statistica di singolo fotone (~400 kHz per sorgente a 40 MHz). Una buona ricostruzione dell’assorbimento è permessa fino a decine di milioni di conteggi al secondo, mentre quella del coefficiente di scattering ridotto è limitata a qualche milione. Non si rivelano inomogeneità troppo profonde e tassi di conteggio più alti di qualche decina di milione sono sconsigliati per tale finalità. La correzione del pile-up risulta fondamentale per ottenere risultati migliori e consentire tassi di conteggio teorici di centinaia di milioni di conteggi al secondo.