Raman spectroscopy using single pixel time-domain single-photon counting

Raman spectroscopy can be used to study the molecular composition of a sample. The knowledge of molecular composition is critical in several fields and in clinics. In this thesis, we developed a theoretical model for the Raman in diffusive media, built an innovative Raman spectrometer and finalized a time-domain diffuse Raman spectrometer. The two spectrometers use time-domain techniques to study the Raman scattering using a single-pixel detector with Time-Correlated Single Photon Counting. In the theoretical model, we studied the propagation of the Raman light into a material. We found a different approach to obtain the heuristic approximation. We then modeled the Raman propagation in a two-layer material. We approximated the problem and found an analytical solution. From this solution, we found there is a time delay from the arrival time of the probing light on the first layer to the exit time of the Raman signal. The first spectrometer we built makes use of a single-mode fiber to separate different wavelengths using temporal separation instead of spatial separation and used a superconductive nanowire detector. The spectrometer built has a spectral range of 750 to 1100 nm with a maximum spectral resolution of 1.5 nm. Several measurements have been performed to test the system and we also performed some in-vivo measurements. The second one is a time-domain diffuse Raman spectrometer and uses the time separation of Raman signal coming from different layers to reconstruct the original depth. The spectrometer was built in previous works and we improved the usability by finalizing the setup and developing a controlling program for a Digital Micromirror Device (DMD). With this program and the synchronization of the DMD with the acquisition of the detector, we have improved the speed of alignment and resolution of the setup and reduced the integration time. The spectrometer has a maximum spectral resolution of 1.9 nm with a spectral range of 45 nm in selectable wavelength regions up to 900 nm. We have been able to measure the Raman signal of marble covered by 10 mm of silicone. We performed some in-vivo measurements.

La spettroscopia Raman può essere utilizzata per studiare la composizione molecolare di un campione. La conoscenza della composizione molecolare è fondamentale in diversi campi e in clinica. In questa tesi, abbiamo sviluppato un modello teorico per il Raman nei mezzi diffusivi, costruito uno spettrometro Raman innovativo e finalizzato uno spettrometro Raman diffuso nel dominio del tempo. I due spettrometri utilizzano tecniche nel dominio del tempo per studiare lo scattering Raman utilizzando un rivelatore a singolo pixel. Nel modello teorico, abbiamo studiato la propagazione della luce Raman in un materiale. Abbiamo quindi modellato la propagazione Raman in un materiale a due strati. Abbiamo approssimato il problema e trovato una soluzione analitica. Da questa soluzione troviamo un ritardo temporale dall'istante di arrivo della luce di sondaggio sul primo strato all'istante di uscita del segnale Raman dal materiale. Il primo spettrometro utilizza una fibra monomodale per separare le diverse lunghezze d'onda. Utilizza la separazione temporale invece della separazione spaziale e ha utilizzato un rilevatore di nanowire superconduttivi. Lo spettrometro costruito ha un intervallo spettrale da 750 a 1100 nm con una risoluzione massima di 1,5 nm. Sono state eseguite diverse misure per testare il sistema e abbiamo anche eseguito alcune misure in vivo. Il secondo è uno spettrometro Raman diffuso nel dominio del tempo e utilizza la separazione temporale del segnale Raman proveniente da diversi strati per ricostruire la profondità originale. Lo spettrometro è stato costruito in lavori precedenti e abbiamo migliorato l'usabilità finalizzando il setup ottico e sviluppando un programma di controllo per un Digital Micromirror Device. Con questo programma e la sincronizzazione del DMD con l'acquisizione del detector, abbiamo migliorato la velocità di allineamento e ridotto i tempi di integrazione. Lo spettrometro ha una risoluzione spettrale massima di 1,9 nm con un intervallo spettrale di 45 nm in regioni spettrali selezionabili fino a 900 nm. Siamo stati in grado di misurare il segnale Raman del marmo ricoperto da 10 mm di silicone. Abbiamo eseguito alcune misurazioni in vivo.