Widefield ultrafast microscopy: from holography to super-resolution

Transient absorption (TA) microscopy is a pump-probe imaging technique that enables the direct visualization of ultrafast excited-state dynamics on the femtosecond timescale with sub-micrometer spatial resolution, with many applications ranging from biology to solid-state physics and materials science. Until recently, most ultrafast microscopes were built around point-scanning configurations, thanks to the high sensitivity enabled by the combination of high-repetition rate lasers with single-pixel detectors and lock-in amplifiers. However, high-repetition rates are ill-suited for many relevant samples. Recent progress in high-speed camera technologies has produced a growing interest in widefield implementations of TA imaging, as they promise higher image throughput thanks to the parallel detection over large fields of view, together with simpler microscope designs. Despite these potential benefits, widefield pump-probe imaging suffers more from laser intensity fluctuations, as the maximum frame rate is limited by the number of pixels. This thesis focuses on the development of new tools that extend the capabilities of state-of-the-art widefield TA microscopy in terms of sensitivity, spatial resolution, and range of applications. The first part covers the integration of pump-probe microscopy with off-axis holography, together with some novel techniques to remove the laser intensity fluctuations independently of the camera frame rate. In this context, a self-referencing approach that pushes the sensitivity below the noise limit of conventional balanced detection schemes is presented. In the second part, TA microscopy is applied to investigate the photophysics of photovoltaic materials. First, an array of sub-micrometer excitation spots is used to image carrier diffusion over area more than 100 times larger than current techniques, assessing spatial heterogeneity and improving the signal-to-noise ratio by an order of magnitude. Then, hole transfer is observed in a n=1/n=3 layered lead halide perovskite heterostructure. In the third part, an ultrafast chiroptical microscope based on off-axis holography is introduced. By multiplexing two orthogonal probe polarization states in a single hologram, this allows the simultaneous measurement of transient optical rotatory dispersion and circular dichroism, while being automatically self-balanced against the excess laser noise. The concept is validated by imaging spin relaxation dynamics and spin transport in lead halide perovskites. In the last part, the application of structured illumination microscopy to widefield TA imaging is discussed and validated, obtaining a nearly two-fold spatial resolution improvement and setting the basis for super-resolved widefield pump-probe microscopy.

La microscopia di assorbimento transiente (TA) è una tecnica di imaging pump–probe che consente lo studio delle dinamiche ultraveloci degli stati eccitati sulla scala temporale dei femtosecondi e con risoluzione spaziale inferiore al micrometro. Tale approccio trova numerose applicazioni in campi che spaziano dalla biologia alla fisica dello stato solido e alla scienza dei materiali. Fino a pochi anni fa, la maggior parte dei microscopi ultraveloci è stata basata su configurazioni a scansione puntuale, in quanto la combinazione di laser ad alto tasso di ripetizione con rivelatori a singolo pixel e amplificatori lock-in permette di ottenere un elevato rapporto segnale/rumore. Tuttavia, gli alti tassi di ripetizione risultano spesso inadeguati per l’analisi di molti campioni di interesse. I recenti progressi tecnologici nel settore dei sensori ad alto numero di pixel hanno stimolato un crescente interesse verso implementazioni a campo largo della microscopia TA, che promettono un flusso di immagini più elevato grazie all’acquisizione contemporanea dell’intero campo di visione, unitamente a un design del microscopio più semplice. Nonostante questi potenziali vantaggi, la microscopia pump-probe a campo largo è più suscettibile alle fluttuazioni di intensità del laser, in quanto la frequenza massima di acquisizione dei fotogrammi è limitata dal numero di pixel. Questa tesi è dedicata allo sviluppo di nuovi strumenti in grado di estendere le capacità della microscopia TA a campo largo, in termini di sensibilità al segnale/rumore, risoluzione spaziale e applicazioni. Nella prima parte viene descritto come la microscopia pump–probe possa essere integrata con l’olografia fuori asse, insieme all’introduzione di tecniche innovative per rimuovere le fluttuazioni di intensità del laser indipendentemente dal tasso di acquisizione della camera. In tale contesto, viene presentato un approccio denominato “self-referencing” che consente di spingere la sensibilità oltre il limite di rumore degli schemi di rivelazione bilanciata convenzionali. Nella seconda parte, la microscopia TA viene applicata allo studio della fotofisica in materiali fotovoltaici. In un primo esperimento, grazie a una matrice di punti di eccitazione, la diffusione dei portatori di carica viene studiata su un’area più di cento volte superiore rispetto alle tecniche attuali, consentendo di valutare l’eterogeneità spaziale e ottenendo un miglioramento di un ordine di grandezza in termini del rapporto segnale/rumore. Nel secondo caso, viene osservato il trasferimento di lacune in una eterostruttura composta da due perovskiti alogenuri di piombo a bassa dimensionalità con composizione n=1/n=3. La terza parte introduce un microscopio chiro-ottico ultraveloce basato sull’olografia fuori asse. Mediante la misura simultanea di due stati di polarizzazione ortogonali in un unico ologramma, è possibile misurare contemporaneamente i segnali transienti di dispersione ottica rotatoria (ORD) e dicroismo circolare (CD), mantenendo al contempo un bilanciamento automatico rispetto alle fluttuazioni di intensità del laser. La tecnica viene validata applicandolo allo studio delle dinamiche di rilassamento di spin e del trasporto di spin in perovskiti alogenuri di piombo. Nell’ultima parte della tesi viene discussa e dimostrata l’applicazione della microscopia a illuminazione strutturata alla microscopia TA a campo largo, ottenendo un miglioramento della risoluzione spaziale di circa un fattore 2 e ponendo le basi per lo sviluppo futuro di microscopia pump–probe a campo largo a super-risoluzione basata sull’assorbimento transiente.