Calibration of absolute stimulated Raman scattering cross-section for quantitative measurement

This thesis explores advancements in achieving quantitative measurements in Stimulated Raman Scattering (SRS) microscopy, a technique that builds on the Raman scattering phenomenon to provide high-sensitivity, label-free imaging of molecular vibrations. Conventional microscopy techniques like bright-field and fluorescence microscopy offer spatial resolution and single-molecule sensitivity, yet often lack the chemical specificity and non-invasive nature provided by Raman techniques. While spontaneous Raman scattering offers a label-free approach, its incoherent and weak signal limits its effectiveness. SRS, a type of Coherent Raman Scattering (CRS), enhances Raman signals by synchronizing pump and Stokes laser pulses, allowing for amplified, coherent molecular responses that improve imaging speed, sensitivity, and three-dimensional sectioning capability. This work starts from the recent introduction of a new SRS cross-section, \(\sigma_{SRS}\), and focuses particularly on its calibration. To overcome the challenges presented by the small intensity variations typically buried within laser noise, a lock-in amplifier is employed for signal extraction. A key corrective factor for the lock-in measurement, the Filling Factor (FF), is introduced to account for the photodiode bandwidth and laser repetition rate, which becomes crucial when transitioning from arbitrary units to quantitative SRS measurements. This thesis investigates and applies a modified procedure for measuring \(\sigma_SRS\), enabling more accurate and reproducible SRS data, with potential implications for improved chemical imaging across various fields.

Questa tesi esplora i progressi nell'ottenimento di misurazioni quantitative nella microscopia Raman Stimolata (SRS), una tecnica che si basa sul fenomeno dello scattering Raman al fine di fornire immagini ad alta sensibilità e senza marcatori. Le tecniche di microscopia convenzionali, come la microscopia a campo chiaro e quella a fluorescenza, offrono una buona risoluzione spaziale e la sensibilità fino al livello della singola molecola, ma spesso mancano della specificità chimica e della non invasività tipiche delle tecniche Raman. Sebbene lo scattering Raman spontaneo offra un approccio senza marcatori, il segnale incoerente e debole limita la sua efficacia. L'SRS, un tipo di diffusione Raman coerente (CRS), migliora i segnali Raman sincronizzando gli impulsi laser di pompaggio e Stokes, permettendo risposte molecolari coerenti e amplificate, che aumentano la velocità di imaging, la sensibilità e la capacità di sezionamento tridimensionale. Questo lavoro parte dall'introduzione recente di una nuova sezione d'urto per SRS, \(\sigma_{SRS}\), in particolare sulla sua calibrazione. Per affrontare le sfide poste dalle così piccole variazioni di intensità spesso mascherate dal rumore laser, viene impiegato un amplificatore lock-in per l'estrazione del segnale. Un fattore correttivo chiave per la misurazioni lock-in, il Filling Factor(FF), è introdotto per tener conto della larghezza di banda del fotodiodo e della frequenza di ripetizione del laser, diventando cruciale nel passaggio da unità arbitrarie a misurazioni quantitative di SRS. Questa tesi esplora e applica una procedura modificata per misurare \(\sigma_{SRS}\), permettendo di ottenere dati SRS più accurati e riproducibili, con potenziali implicazioni per un imaging chimico migliorato in vari ambiti.