Development of a multi-modal optical microscope designed to perform point-by-point Raman and photoluminescence mapping

In the cultural heritage field the scientific study of an artwork holds a fundamental role for conservation and material identification purposes. To these aims, many scientific measurements are employed involving different scientific disciplines, as chemistry, mechanics, physics and photonics: among them, optical techniques play a fundamental role. The importance of optical techniques to investigate cultural heritage samples is widely documented in literature. In pictorial works, the identification of the materials used by an artist is one important information for conservation strategies. In particular, the stratigraphy of a painting, that is its layer-by-layer structure, reveals the sequential application of different materials by the artist from the preparatory layer to the finishing varnish layer, passing through superimposed paint layers, revealing how he worked and the eventual formation of degradation compounds. The study of the paint stratigraphy is, indeed, fundamental for painting attribution, to comprehend artist techniques and to understand degradation phenomena. One of the most developed and used approaches to obtain information on a paint stratigraphy is with the help of micro-samples withdrawn from the painting. The polished cross-sections of a painting can be analyzed with plenty of techniques, but among all, optical investigations stand out: they provide information in a non-destructive way, becoming fundamental tools to analyze the complex heterogeneity of artworks. The aim of this thesis work is to present and describe the idea, design and development of a multimodal optical microscope that combines Raman and laser induced photoluminescence spectroscopy techniques. The benefits of an hybrid setup comprising these two methods are that they are both non destructive and they are highly complementary. Indeed, since the two techniques are sensitive to different materials, the combination of Raman and photoluminescence spectroscopy has shown to be advantageous for the analysis of cultural heritage materials, which are extremely complex and heterogeneous. Indeed the development of the microscope has been carried out in Artis laboratory, whose main purpose is to study cultural heritage samples. However, due to the multifaced nature of Raman and photoluminescence spectroscopies, the setup can be exploited in various and different fields, as material science or biological one. The system developed wants to be a new innovative system specific to perform both Raman and photoluminescence analysis on a micro-metric spot on the sample's surface and execute a mapping of a pre-selected area by a raster-scanning approach. In this work, the first chapter will provide a brief theoretical introduction on these two spectroscopic techniques and on their role in the cultural heritage field. Following it, I will describe the development of the setup: more in details, the design and the construction are presented. The main concept is that two excitation paths, for both Raman and photoluminescence laser sources, are blend together and the signal is detected with a single collection path; in addition, an imaging system to visualize the sample is implemented. The design is described firstly in an optical point of view, then it is treated the mechanical assembly of the system. After the physical assembly, the characterization of the setup has been performed in order to verify if the actual behavior corresponds to the expected parameters: the spatial characterization of the microscope, the alignment, the lasers' powers, the spectral resolution and the calibration are described in a dedicated section. Then it will be presented how the data are processed and analyzed: a custom made program for the cleaning of raw datasets has been implemented in Matlab and the analysis protocol is handed out. Lastly different measurement on real samples has been performed: two cultural heritage samples from Gondarova and Larionov painters are analyzed with both Raman and photoluminescence spectroscopy. Then, a sample from material science, made of PS and PMMA micro-beads, is measured in order to further mention the multifaced nature and uses of this hybrid setup.

Nell'ambito dei beni culturali, lo studio scientifico di un'opera d'arte ricopre un ruolo fondamentale nella conservazione e identificazione delle opere. Per questi scopi vengono impiegate diverse tecniche di misurazione che coinvolgono numerose discipline scientifiche come la chimica, la meccanica, la fisica e la fotonica: tra tutte, l'ottica occupa una posizione predominante. L'importanza delle tecniche ottiche per analizzare i campioni provenienti dal mondo dei beni culturali è ampiamente documentata in letteratura. Nei dipinti, l'identificazione dei materiali usati dall'artista è una delle informazioni necessarie e fondamentali per studiarne la conservazione: in particolare, la stratigrafia di un dipinto, che è la sua struttura a strati, svela l'applicazione in sequenza da parte del pittore dei diversi materiali, dallo stato preparatorio alla vernice finale, passando attraverso agli altri strati di pittura sovrapposti, svelando come l'artista ha lavorato e l'eventuale formazione dei composti di degradazione. Lo studio della stratigrafia, infatti, è fondamentale per l'attribuzione dei dipinti, per esaminare le tecniche dell'artista e per comprendere i fenomeni di degradazione. Uno degli approcci più sviluppati e utilizzati per ottenere informazioni sulla stratigrafia di un dipinto è attraverso lo studio di micro-campioni, prelevati dal dipinto stesso. Le cross-sections provenienti dall'opera vengono analizzate con diverse metodologie, ma tra tutte spiccano le tecniche ottiche: queste ultime forniscono informazioni in modo non distruttivo, diventando uno strumento fondamentale per analizzare la complessa eterogeneità delle opere d'arte. Lo scopo di questa tesi è di presentare e descrivere l'idea, il design e lo sviluppo di un microscopio ottico multimodale che combina le tecniche spettroscopiche Raman e di fotoluminescenza indotta da laser. I benefici di un setup ibrido che comprende queste due metodologie si possono riassumere nel fatto che entrambe le tecniche eseguono misure ottiche e non distruttive, in aggiunta alla loro forte complementarietà. Infatti, dal momento che queste due tecniche sono sensibili a materiali diversi, la combinazione delle spettroscopie Raman e di fotoluminescenza si mostra vantaggiosa per l'analisi di materiali dal campo dei beni culturali, che sono estremamente complessi ed eterogenei. Infatti, lo sviluppo del microscopio è stato svolto nel laboratorio Artis, il cui scopo principale è lo studio di campioni dall'ambito dei beni culturali. In ogni caso, per la natura versatile delle spettroscopie Raman e di fotoluminescenza, questo setup può essere sfruttato in diversi campi, dalla scienza dei materiali all'ambito biologico. Il setup sviluppato vuole essere un sistema innovativo specifico per effettuare analisi sia Raman che di fotoluminescenza di uno spot micrometrico sulla superficie del campione ed eseguire un mapping di un'area selezionata con un approccio raster-scanning. In questo lavoro, il primo capitolo presenta una breve introduzione teorica di queste tecniche spettroscopiche e sul loro ruolo nell'ambito dei beni culturali. A seguire, verrà descritto lo sviluppo del setup: più in dettaglio, verranno presentati l'idea di progettazione e la costruzione del microscopio. Il design è stato concepito in modo che le due sorgenti di eccitazione, cioè i laser sia per il Raman che per la fotoluminescenza, vengano unite insieme mentre il segnale viene rilevato con un singolo path di raccolta; in aggiunta, è stato implementato un sistema di imaging per visualizzare il campione. Il design è descritto inizialmente da un punto di vista ottico, mentre in seguito viene trattato il montaggio meccanico del sistema. Successivamente, viene effettuata la caratterizzazione del setup in modo da verificare se l'effettivo funzionamento corrisponde a quello atteso: la caratterizzazione spaziale del microscopio, l'allineamento, la potenza dei laser, la risoluzione spaziale e la calibrazione sono descritti in un'apposita sezione. Viene in seguito mostrato come vengono processati e analizzati i dati: è stato implementato un programma scritto in Matlab per la pulizia dei dataset e inoltre viene descritto il protocollo di analisi. Infine, vengono effettuate diverse misure su campioni reali: si analizzeranno due campioni storici dai pittori Goncarova e Larionov con entrambe le spettroscopie Raman e di fluorescenza. In aggiunta, un campione di PS e PMMA micro-beads, proveniente quindi dall'ambito della scienza dei materiali, viene misurato in modo da poter dimostrare la natura versatile e i molteplici usi di questo setup ibrido.