Towards nonlinear structured illumination pump probe microscopy

Transient absorption spectroscopy is a fundamental tool for studying the dynamics of excited states on the femtosecond timescale. However, it lacks spatial resolution, preventing a complete characterization of heterogeneous materials. Transient absorption microscopy (TAM) partially addresses this issue, but its diffraction-limited resolution hinders the study of nanoscopic problems. The aim of this thesis is to enhance the spatial resolution of TAM by employing structured illumination microscopy (SIM), a widely used technique in fluorescence microscopy. In this thesis, the theoretical foundations of SIM with incoherent light, capable of doubling the maximum detectable frequency, have been adapted to the context of TAM (intrinsically coherent). An experimental setup was implemented using a spatial light modulator (SLM) to generate structured excitation patterns. Experiments conducted at a probe wavelength of 658 nm and with an objective of NA = 0.95 increased the spatial frequency bandwidth by approximately 1.67×, improving the lateral resolution from 692 nm to 414 nm. The ideal twofold increase was not achieved due to a suboptimal choice of pattern frequency. Placing it at the maximum detectable frequency would yield a resolution of 346 nm under the same configuration. Several challenges were identified, including sample drift, pixel saturation, and parameter selection for image reconstruction. Addressing these issues is crucial to ensure broader applicability of the technique. This study lays the foundation for further development of the technique. Leveraging material nonlinearities, as the saturation of the transient signals, resolution can be improved even further, as already known in fluorescence SIM. Potential applications range from materials science to biophysics, making nonlinear structured illumination TAM a promising technique for high-resolution, time-resolved imaging.

La spettroscopia di assorbimento transiente è uno strumento fondamentale per studiare la dinamica degli stati eccitati sulla scala dei femtosecondi. Tuttavia, essa manca di risoluzione spaziale, impedendo una caratterizzazione completa dei materiali eterogenei. La microscopia di assorbimento transiente (TAM) affronta parzialmente questo problema, ma resta vincolata dalla diffrazione, impedendo lo studio di problemi nanoscopici. L’obiettivo di questa tesi è migliorare la risoluzione spaziale della TAM utilizzando l’illuminazione strutturata (SIM), una tecnica ampiamente applicata nella microscopia a fluorescenza. In questa tesi, le basi teoriche SIM con luce incoerente, in grado di raddoppiare la massima frequenza rilevabile, sono state adattate al contesto della TAM, intrinsecamente coerente. Un setup sperimentale è stato implementato utilizzando un modulatore spaziale di luce (SLM) per generare pattern di eccitazione strutturati. Gli esperimenti condotti a una lunghezza d’onda di probe di 658 nm e con un obiettivo con NA = 0.95 hanno aumentato la banda di frequenza spaziale di circa 1.67×, portando la risoluzione laterale da 692 nm a 414 nm. L’incremento ideale di un fattore due non è stato raggiunto a causa di una scelta non ottimale della frequenza del pattern. Posizionandola alla massima frequenza rilevabile, si otterrebbe una risoluzione di 346 nm nella stessa configurazione. Abbiamo identificato alcune criticità, come il drift del campione, la saturazione dei pixel e la selezione dei parametri per la ricostruzione dell’immagine. È quindi necessario affrontare queste problematiche per garantire una maggiore applicabilità della tecnica. Questo studio pone le basi per futuri sviluppi della tecnica. Sfruttando le non linearità dei materiali, come la saturazione dei segnali transienti, è infatti possibile migliorare ulteriormente la risoluzione, come già noto nella microscopia SIM a fluorescenza. Le potenziali applicazioni spaziano dalla scienza dei materiali alla biofisica, rendendo la microscopia a illuminazione strutturata TAM non lineare una tecnica promettente per l’imaging ad alta risoluzione e risolto nel tempo.