Towards the development of time-resolved optical activity spectroscopy

The thesis presented is focused on the implementation and development of new techniques for the measurement of steady-state and time-resolved Optical Activity, with the purpose of studying the evolution of molecular structures in the course of a light-triggered chemical reactions or biological processes. In the first chapter the theoretical and conceptual background of Optical Activity is presented along with its common experimental approaches and recent applications. In the second chapter the propagation of ultra-short light pulses, nonlinear optical processes and the transient absorption technique are described. After this, a new experimental technique for steady-state Broadband measurements of Optical Activity is presented. This novel technique takes advantage of a balanced detection scheme and a birefringent common-path interferometer resulting in an Interferometric Fourier-Transform Balanced detection spectroscopic setup able to achieve state-of-the-art sensitivity for circular dichroism and optical rotatory dispersion across a broad wavelength range. Finally, the development of an extension of the steady-state configuration for time-resolved measurements is presented. The experimental setup under develop- ment is also based on a balanced detection scheme combined with a pump-probe configuration setup optimized for a pump beam at 400nm and a probe at 475nm. This setup is able to process low-duty cycle signals and it allows to measure simultaneously steady-state and time-resolved chiral signals, namely steady-state and transient circular dichroism and optical rotatory dispersion. To conclude some preliminary results obtained for the setup are presented showing that the polarization artifacts induced by linear birefringence and linear dichroism must be addressed correctly to get proper output signals with the sensitivity required.

La tesi presentata è focalizzata sull’implementazione e lo sviluppo di nuove tecniche per la misura dell’Attività Ottica in regime stazionario e risolta nel tempo, con lo scopo di studiare l’evoluzione delle strutture molecolari nel corso di reazioni chimiche innescate dalla luce o processi biologici. Nel primo capitolo vengono presentati i fondamenti teorici e concettuali della spettroscopia di attività ottica insieme ai suoi approcci sperimentali comuni e alle applicazioni recenti. Nel secondo capitolo viene descritta e discussa la propagazione di impulsi luminosi ultracorti, i processi ottici non lineari e la tecnica di assorbimento transitorio. Successivamente, viene presentata una nuova tecnica sperimentale per misure a banda larga in regime stazionario dell’attività ottica. Questa nuova tecnica sfrutta uno schema di rilevamento bilanciato e un interferometro a percorso comune birifrangente che si traduce in un setup spettroscopico di rilevamento bilanciato a trasformata di Fourier interferometrico in grado di raggiungere la sensibilità all’avanguardia per il dicroismo circolare e la dispersione ottica rotatoria su un’ampia lunghezza d’onda gamma. Infine, viene presentato lo sviluppo di un’estensione della configurazione allo stato stazionario per misure risolte nel tempo dell’attività ottica. La configurazione sperimentale in fase di sviluppo si basa anche su uno schema di rilevamento bilanciato combinato con una configurazione di configurazione pompa-sonda ottimizzata per un raggio della pompa a 400nm e una sonda a 475nm. Questa configurazione serve per elaborare segnali a basso ciclo di lavoro e consente di misurare simultaneamente segnali chirali stazionari e risolti nel tempo, ovvero dicroismo circolare stazionario e transitorio e dispersione ottica rotatoria. Per concludere, vengono presentati i risultati preliminari ottenuti per il setup che mostrano che gli artefatti di polarizzazione indotti dalla birifrangenza lineare e dal dicroismo lineare devono essere indirizzati correttamente per ottenere segnali di uscita adeguati con la sensibilità richiesta.