Ultrafast holographic widefield microscopy

Transient absorption microscopy (TAM) resolves ultrafast excited state dynamics on femtosecond time scales with spatial resolutions of less than a micrometre. The combination of the vast and diverse fields of ultrafast spectroscopy and optical microscopy extends the research possibilities in both areas and leads to a variety of new applications. Until recently, confocal microscopy was the preferred choice in TAM due to its excellent signal-to-noise ratios, and hence ability to resolve small signals. However, nowadays also widefield configurations are applied in TAM, which was made possible due to the ongoing development of faster cameras. Widefield configurations are attractive due to the experimental simplicity and the potential faster acquisition compared to confocal point scanning. Moreover, the combination of femtosecond pulses with techniques from widefield imaging holds promise to revolutionise prior TAM techniques. This thesis addresses key problems of the transition of TAM to widefield imaging and presents new techniques thereof by integrating the phase-sensitive technique of off-axis holography. In the first part of the thesis, we use off-axis holography to build an all-optical lock-in microscope. This gives access to shot-to-shot acquisition in a widefield TAM configuration and thus high signal-to-noise ratios. We use this technique to resolve the different diffusion phenomena of charge carriers in a lead halide perovskite film on ultrafast time scales. We further increase our signal-to-noise ratio in these measurements by parallelizing almost a hundred of such diffusion measurements, which is made possible by the large field of view. The second part concerns a general scheme of how to remove noise in TAM, introduced by fluctuations of the laser pulse energies. We implement a balanced detection scheme by enabling self-referencing on the field of view itself. The scheme is easy to realise and applicable to any widefield TA measurement. We benchmark the technique with various samples and configurations, improving the signal-to-noise ratios by a factor of ten - reaching close to shot noise limited detection. The third part shows how to use multiplexed off-axis holography to simultaneously record transient images of two orthogonal polarization components after transmission through a specimen. This retrieves the polarization state at each point in the field of view in a fully all-optical balanced detection scheme. The high sensitivity of this microscope allows us to perform spatially resolved ultrafast Faraday rotation experiments on a lead halide perovskite. Furthermore, we tailor the excitation to small spots in order to observe spin\-/polarised transport phenomena. Lastly, we show a possible route towards ultrafast three\-/dimensional imaging. We enable the 3D imaging method of optical diffraction tomography to be performed with pulses having bandwidths of a hundred nanometre in the visible. With this technique we perform spectrally resolved three\-/dimensional imaging of cells and validate the interference contrast over the entire spectrum. Lastly, we give an example of how to use the spectral contrast of Au gold nanoparticles in order to localise their position in three\-/dimensions within complex and scattering cell environments.

Fino a poco tempo fa, la tecnica preferita in \textit{transient absorption microscopy} (TAM) è stata la microscopia confocale, grazie alla possibilità di raggiungere ottimi livelli di segnale/rumore e perciò all’abilità di risolvere segnali piccoli. Ad oggi però, grazie allo sviluppo di camere più veloci, anche configurazioni a campo largo sono applicate in TAM: esse sono di particolare interesse in virtù della loro semplicità di implementazione e la potenzialità di acquisizioni più veloci rispetto alla microscopia confocale a scansione. La combinazione di impulsi laser a femtosecondi con tecniche di imaging a campo largo promette perciò di rivoluzionare le precedenti tecniche di TAM. Questa tesi tratta i problemi chiave nella transizione della microscopia di assorbimento transiente all’imaging a campo largo e presenta nuove tecniche quantitativamente sensibili alla fase tramite l’integrazione con l’olografia fuori asse. Nela prima parte della tesi, l’olografia fuori asse viene utilizzata per sviluppare un microscopio di tipo lock-in in cui la demodulazione del segnale transiente avviene in maniera totalmente ottica. Questa tecnica permette l’acquisizione di ogni singolo impulso del laser in una configurazione a campo largo, ottenendo perciò alti rapporti di segnale/rumore. La tecnica viene utilizzata per risolvere differenti fenomeni di diffusione di carica in una perovskite metallorganica a base di tri-alogenuro di Piombo su scale temporali ultrabrevi. Un significativo miglioramento del rapporto segnale/rumore è ottenuto attraverso una parallelizzazione di circa cento misure di diffusione, resa possibile dal largo campo di visione. La seconda parte tratta uno schema generale per rimuovere il rumore introdotto dalle fluttuazioni di energia degli impulsi laser nelle misure TAM. Ciò viene implementato come uno schema di detezione bilanciata in cui lo stesso campo di visione viene utilizzato per campionare le fluttuazioni di energia degli impulsi. Questo schema è semplice da realizzare e applicabile a qualsiasi misura di microscopia differenziale a campo largo. La tecnica viene validata su differenti campioni e con diverse configurazioni, dimostrando un miglioramento del rapporto segnale/rumore di un ordine di grandezza, permettendo di raggiungere il limite dello shot noise. Nella terza parte viene dimostrato come l’uso dell’olografia fuori asse “multiplexed ” permetta di acquisire simultaneamente immagini transienti con due polarizzazioni ortogonali in un singolo ologramma, dopo la trasmissione attraverso un campione. Ciò rende possibile ricostruire lo stato di polarizzazione in ogni punto del campo di visione, con uno schema di acquisizione bilanciato e totalmente ottico. L’alta sensibilità di questo microscopio viene sfruttata per eseguire esperimenti di rotazione di Faraday ultraveloce con risoluzione spaziale su una perovskite metallorganica. Inoltre, mediante l’utilizzo di una eccitazione strutturata in piccoli punti è possibile studiare fenomeni di trasporto della polarizzazione di spin. Nell’ultima parte viene indicata una possibile direzione verso l’imaging tridimensionale ultraveloce. Il metodo di imaging tridimensionale della tomografia a diffrazione ottica viene eseguito con impulsi di luce visibile aventi banda di un centinaio di nanometri: con questa tecnica è possibile ricostruire immagini tridimensionali di cellule con risoluzione spettrale. Viene inoltre validato il contrasto di interferenza per l’intero spettro dell’impulso. Infine, viene mostrato un esempio di come si possa utilizzare il contrasto spettrale di nanoparticelle di oro per localizzare la loro posizione in tre dimensioni in ambienti complessi e con alti fattori di scattering, come le cellule biologiche.