Development of an ultrafast transient absorption microscope

Ultrafast laser spectrocopy and scanning optical microscopy have found widespread application in many fields from biological chemistry to material science, changing the way many fundamental problems are addressed. Ultrafast transient absorption (TA) spectroscopy is a non-linear time-resolved optical technique which has enabled the observation of the photoinduced dynamics in chemical reactions with unprecedented temporal resolution [1]. This remarkable achievement was awarded the Nobel Prize in 1999 and fostered the study of timeresolved excited-state dynamics in various materials and molecules [2]. However, spatial information is crucial to provide a complete understanding of the underlying photophysics of the probed material, overcoming issues such as sample heterogeneity, or reduced dimensions. Thanks to the recent advances in the field of microscopy, the limits of optical resolution has been pushed beyond the Abbe’s law of diffraction to enable imaging of nano-sized objects. This particular achievement, based on the fluorescent super-resolution technique, was also awarded the Nobel Prize in 2014 and paved the way for the diverse applications in many research fields such as photochemistry, photovoltaics, etc [3, 4]. Therefore, combining the optical microscopy methods with ultrafast TA spectroscopy is necessary to fully resolve the spatio-temporal dynamics of heterogeneous and complex analytes. In this thesis, I will present a novel Transient Absorption Microscopy (TAM) apparatus, pumped by an ultrafast laser system at high repetition rate characterized by sub-200fs temporal resolution and sub-micron spatial resolution, with a sensitivity as low as $10^{-6}$. I have dedicated the majority of my laboratory activity to the development extit{ex novo} of the optical apparatus. The TAM setup has been tested and optimized on two samples: (i) organic semiconductor thin films; (ii) nanotubes of low dimensional transition-metal dichalcogenides. Moreover, the TAM setup is capable of acquiring both high-sensitive and high-lateral resolution images acquired via customized LabVIEW graphical user interface. The TAM apparatus will be used in future to study the ultrafast response of nanostructured optical materials.

La spettroscopia laser ultraveloce e la microscopia ottica trovano applicazione in diversi campi della ricerca, dalla chimica alla biologica, fino alla scienza dei materiali, e hanno avuto un grande impatto sul modo con il quale vengono studiati molti dei problemi scientifici. La tecnica di assorbimento transiente ( transient absorption, TA) è un tipo di spettroscopia ottica non lineare risolta in tempo che ha permesso di osservare le dinamiche foto-indotte in reazioni chimiche con una risoluzione temporale senza precedenti, sulla scala dei femtosecondi (1fs=10-15s) [1]. Questa tecnica e la sua applicazione allo studio delle dinamiche molecolari è stata insignita del premio Nobel nel 1999 e ha stimolato un’intensa indagine dei processi ultra-brevi in molteplici materiali e molecole [2]. Tuttavia, essa non è in grado di fornire informazioni sulla componente spaziale del sistema in analisi, la quale è invece fondamentale per una comprensione completa della fotofisica del materiale. D’altro canto, grazie ai recenti progressi nel campo della microscopia, è stato possibile spingere i limiti della risoluzione ottica oltre la legge di diffrazione di Abbe, consentendo così di visualizzare oggetti su scala nanometrica (1nm=10-9m). Questo importante risultato, che ha portato allo sviluppo di tecniche di microscopia super-risolta, è stato a sua volta insignito del Premio Nobel, nel 2014 [3, 4]. Pertanto, gli sviluppi più recenti del mondo dell’ottica e della fotonica hanno l’obiettivo di combinare tecniche di spettroscopia ultraveloce risolta in tempo con metodi di microscopia al fine di caratterizzare completamente le dinamiche spazio-temporali di sistemi ottici complessi. In questo lavoro di tesi, si presenta un nuovo apparato di microscopia ad assorbimento transiente risolto in tempo (Transient Absorption Microscopy, TAM), pompato da un sistema laser ad alta frequenza di ripetizione, caratterizzato da una risoluzione temporale inferiore a 200 fs ed una risoluzione spaziale inferiore al micrometro. La maggior parte dell'attività di laboratorio ha riguardato lo sviluppo ex novo di tale apparato ottico. Lo strumento è stato testato ed ottimizzato su due campioni di prova: (i) film sottili di semiconduttori organici; (ii) dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD) nella forma di nanotubi. È stato così possibile dimostrare che lo strumento è in grado di acquisire immagini ad alta sensibilità (10-6 ) sfruttando un’interfaccia grafica LabVIEW personalizzata, prodotto originale del presente lavoro di tesi. In futuro, lo strumento sarà utilizzato per studiare la risposta ultraveloce di materiali ottici nanostrutturati.