Spettrometro a 40 canali per esperimenti di pump probe ultraveloce

Advanced spectroscopy techniques are attracting more and more interest by the scientific community since they have widespread applications in many different fields. One of the most used techniques is Pump-Probe one: the final aim of this project is the realization of a spectrometer for this kind of spectroscopy. Although there are spectrometers of this type already on the market, they are limited to work with laser pulses in the tens of kHz range and therefore require quite long acquisition times. These limitations have been overcome by ECLIPSE (EnhanCed Lock-In amplifier for Pump-probe SpEctroscopy), an ASIC designed during a PhD thesis prior to this, which allows the use of lasers with a repetition frequency in the MHz range, thus decreasing the signal acquisition times, also thanks to broadband signal acquisition of 20 channels in parallel, and to obtain a better resolution than the current State of the Art. This thesis work, carried out in the I3N (Innovative Integrated Instrumentation for Nanoscience) laboratory in collaboration with the Physics Department of the Politecnico di Milano, was divided into two phases. During the first phase the ASIC was validated and characterized using a custom designed testing board equipped with a laser emulator circuit to verify the correct functioning of the chip. The second phase, instead, was dedicated to the development of the electronic system (hardware and firmware) which, together with the optical setup, constitutes the Pump- Probe spectrometer. This thesis describes in detail the validation work carried out on chip with the testing board and the printed circuit created, with particular care to the improvements made both on the hardware and on the firmware parts. The PCB produced can be validated optically, verifying if the system can reach a resolution lower than 1ppm as predicted from the electronic validation.

Le tecniche di spettroscopia avanzate stanno guadagnando sempre più interesse nella comunità scientifica perché trovano applicazioni diffuse in molti campi diversi. Una delle tecniche più diffuse è quella del Pump-Probe: lo scopo finale di questo progetto è la realizzazione di uno spettrometro per tale tecnica di spettroscopia. Nonostante spettrometri di questo tipo siano già presenti sul mercato, essi sono limitati a lavorare con laser nel range delle decine di kHz e necessitano quindi di tempi di acquisizione abbastanza lunghi. Queste limitazioni sono state superate da ECLIPSE (EnhanCed Lock-In amplifier for Pump-probe SpEctroscopy), un ASIC progettato nel corso di una tesi di dottorato antecedente a questa, che permette l’uso di laser con frequenza di ripetizione degli impulsi nel range del MHz, diminuendo così i tempi di acquisizione del segnale, anche grazie ad un’acquisizione di 20 canali in parallelo del segnale a banda larga, e di ottenere una risoluzione migliore dell’attuale Stato dell’Arte. Il lavoro di tesi, svolto nel laboratorio I3N (Innovative Integrated Instrumentation for Nanoscience) in collaborazione con il Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, si è articolato in due fasi. Durante la prima fase è stato validato e caratterizzato l’ASIC attraverso l’uso di una scheda di test appositamente progettata e dotata di un circuito emulatore del laser per verificare il corretto funzionamento del chip. La seconda fase, invece, è stata dedicata allo sviluppo del sistema elettronico (hardware e firmware) che insieme al setup ottico va a costituire lo spettrometro. La tesi descrive dettagliatamente il lavoro di validazione effettuato sul chip con la scheda di prova e il circuito stampato realizzato con particolare riferimento ai miglioramenti apportati sia sull’hardware che sul firmware. La PCB prodotta potrà esser validata otticamente, verificando se il sistema può raggiungere una risoluzione inferiori ad 1ppm come emerso dalla validazione elettronica.