A widefield high-throughput hyperspectral microscope based on an ultrastable common-path interferometer

Hyperspectral microscopy is a very powerful tool because images with both spatial and spectral information of the samples are retrieved. For this reason it is an important technique for the materials recognition and characterization on the basis of their spectra and with a micrometer spatial resolution. Hyperspectral microscopy can be exploited for different spectral measurement implementations such as reflectivity, transmission, fluorescence and Raman. In general different hyperspectral imaging approaches both in the spectral and in the spatial domain can be adopted. In the spatial domain there's the basic distinction between raster scanning in which the image is acquired one point at a time and widefield in which the image is acquired at once. In the spectral domain there are two main different approaches: the Dispersive Spectroscopy in which the different wavelengths of the detected light are separated and resolved by means of prisms or gratings and the Fourier Transform Spectroscopy which relies on the Fourier transform operation to pass from an acquired interferogram of the detected light to a spectrum. In 2019 a Fourier Transform Hyperspectral Microscope (HSM) based on a common-path ultrastable interferometer has been developed in Physics Department at Politecnico di Milano. Relying on the advantages of Fourier Transform Spectroscopy, this microscope is used in the widefield approach and therefore all the spectra for the several image pixels are retrieved in parallel. The ultrastability of the interferometer allows a simple use of this setup in a routinely laboratory activity. Starting from the HSM, this master thesis deals with the consequent work undertaken on this setup in order to optimize and corroborate the reliability of the system both from an experimental-instrumental implementation and from a datum analysis point of view. In particular the effort has been focused on Raman widefield imaging because that is a very interesting and promising technique as the Raman spectrum peaks are specifically related to the chemical species and this allows a very selective characterization of the investigated sample. As Raman phenomenon is characterized by very low cross-section, an optimization of the measurement parameters and an accurate datum analysis are fundamental in order to accomplish significative results. As it is demonstrated by this thesis work, the setup and its peculiar hyperspectral imaging technique have revealed a very promising system to perform widefield Raman imaging in fast measurements if compared with other works presented in literature and with an high spatial resolution. In addition, the measured Raman spectra are completely fluorescence-free even if the fluorescence intensity from the sample is not negligible: this is a novelty in the spectroscopy community as, in typical Raman setups, the measured Raman spectral peaks are superimposed to the broadband fluorescence background. These characteristics together with the ultrastability and the compactness make this instrument a good candidate for scientific research and industrial applications.

La microscopia iperspettrale è uno strumento molto potente perché permette l’acquisizione di immagini in cui sono presenti informazioni sia spaziali sia spettrali. Per questa ragione è una tecnica importante per l’identificazione e caratterizzazione di materiali sulla base dei loro spettri con una risoluzione spaziale micrometrica. La microscopia iperspettrale può essere sfruttata per diverse implementazioni di misure spettrali come riflettività, trasmissione, fluorescenza e Raman. In generale possono essere adottati diversi approcci di imaging iperspettrale sia nel dominio dello spettro sia nel dominio dello spazio. Nel dominio dello spazio si ha la distinzione tra raster scanning in cui l’immagine è acquisita un punto alla volta e widefield in cui l’immagine è acquisita tutta insieme. Nel dominio dello spettro ci sono due approcci differenti: la Spettroscopia Dispersiva in cui le varie lunghezze d’onda della luce rivelata sono separate e risolte per mezzo di prismi o reticoli e la Spettroscopia a Trasformata di Fourier che si basa sull’operazione Trasformata di Fourier per passare da un interferogramma della luce rivelata ad uno spettro. Nel 2019 un Microscopio Iperspettrale a Trasformata di Fourier (HSM) basato su un interferometro ultrastabile è stato sviluppato nel Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano. Grazie ai vantaggi della Spettroscopia a Trasformata di Fourier, questo microscopio è utilizzato nell’approccio widefield e quindi tutti gli spettri nei pixel dell’immagine sono raccolti in parallelo. La ultrastabilità dell’interferometro permette un semplice utilizzo di questo setup in una regolare attività di laboratorio. Partendo dal HSM, questa tesi di Laurea Magistrale presenta il lavoro che è stato successivamente intrapreso su questo setup per ottimizzare e corroborare l’affidabilità del sistema sia per quanto concerne l’aspetto di implementazione sperimentale e strumentale sia per quanto riguarda l’analisi del dato. In particolare il lavoro è stato focalizzato sull’imaging Raman widefield poiché questo rappresenta una tecnica molto interessante dato che i picchi dello spettro Raman sono correlati in modo specifico alle specie chimiche e questo garantisce una caratterizzazione molto selettiva del campione investigato. Dato che il fenomeno Raman è caratterizzato da una sezione d’urto molto piccola, per raggiungere risultati significativi sono fondamentali un’ottimizzazione dei parametri di misura e un’analisi accurata del dato. Come è dimostrato da questo lavoro di tesi, il setup e la sua peculiare tecnica di imaging iperspettrale si sono dimostrati essere un sistema molto promettente per svolgere imaging Raman widefield in misure veloci, se comparate con altri lavori presentati in letteratura, e con un’alta risoluzione spaziale. Inoltre gli spettri Raman misurati sono completamente privi del contributo di fluorescenza anche nel caso in cui l’intensità di quest’ultima proveniente dal campione non sia trascurabile: questa è una novità all’interno della comunità spettroscopica dato che, in tipici setup Raman, i picchi Raman misurati sono sovrapposti al fondo di fluorescenza. Queste caratteristiche insieme alla ultrastabilità e compattezza rendono questo strumento un buon candidato per la ricerca scientifica e le applicazioni industriali.