Synchronized ultrafast near-infrared fiber lasers for hyperspectral vibrational microscopy applied to histopathology

This doctoral dissertation details the development of ultrafast near-infrared fiber laser technology designed to meet the pressing demand in histopathology for compact, high-speed, and chemically specific label-free imaging. The ultimate objective is the realization of a fiber-integrated platform capable of simultaneous, multiplexed Stimulated Raman Scattering (SRS) microscopy across both the high-frequency C–H stretching region and the diagnostically rich fingerprint region of the vibrational spectrum, thereby enabling significant improvements in diagnostic accuracy. The core innovation is the realization of an innovative, passively synchronized, three-color mode-locked fiber laser system incorporating Erbium-, Ytterbium-, and Neodymium-based oscillators. Robust synchronization is achieved through cross-phase modulation within shared passive fiber segments, eliminating the need for complex active control mechanisms and yielding phase-locked pulse trains with sub-picosecond timing jitter. Additionally, a custom-designed amplification and modulation architecture is proposed to satisfy the stringent requirements of broadband SRS imaging and enable high-speed lock-in detection. The fully integrated system constitutes a significant technological advancement toward the clinical implementation of vibrational imaging, enabling rapid, alignment-free, and quantitatively robust histopathological analysis. The dissertation also explores advanced pulse generation, demonstrating a method for producing ultrashort pulse trains at tunable repetition frequencies up to 1 THz. Utilizing dual-frequency beat compression in an anomalous dispersion photonic crystal fiber, this work establishes a robust, fully polarization-maintaining framework for the generation of pulse trains with exceptionally high, tunable, and stabilized repetition rates, well-suited for demanding applications in precision metrology and industrial processing.

Questa dissertazione di dottorato descrive lo sviluppo di una tecnologia di laser ultrarapidi in fibra nel vicino infrarosso, progettata per rispondere alla crescente esigenza, nel campo dell’istopatologia, di sistemi compatti, ad alta velocità e specifici dal punto di vista chimico per l’imaging senza marcatori. L’obiettivo finale è la realizzazione di una piattaforma integrata in fibra, capace di effettuare simultaneamente microscopia Stimulated Raman Scattering} (SRS) multiplexata sia nella regione ad alta frequenza di stretching C–H, sia nella regione fingerprint dello spettro vibrazionale, ricca di informazioni diagnostiche, permettendo così miglioramenti significativi nella precisione diagnostica. L’innovazione centrale consiste nella realizzazione di un sistema di laser a fibra mode-lockati a tre colori, passivamente sincronizzato, che incorpora oscillatori basati su Erbio, Itterbio e Neodimio. La sincronizzazione robusta è ottenuta tramite cross-phase modulation all’interno di segmenti di fibra passiva condivisi, eliminando la necessità di complessi meccanismi di controllo attivo e producendo treni coerenti di impulsi con jitter temporale inferiore al picosecondo. Inoltre, viene proposta un’architettura personalizzata di amplificazione e modulazione, progettata per soddisfare i rigorosi requisiti dell’imaging SRS a banda larga e abilitare la rilevazione lock-in ad alta velocità. Questo sistema completamente integrato rappresenta un avanzamento tecnologico significativo verso l’implementazione clinica dell’imaging vibrazionale, consentendo analisi istopatologiche rapide, quantitative e che non richiedono allineamento ottico. La dissertazione esplora anche tecniche avanzate di generazione di impulsi, dimostrando un metodo per produrre treni di impulsi ultracorti a frequenze di ripetizione regolabili fino a 1 THz. Utilizzando la compressione del battimento da doppia frequenza in una fibra a cristallo fotonico con dispersione anomala, questo lavoro stabilisce un framework robusto e completamente a mantenimento di polarizzazione per la generazione di treni di impulsi con frequenze di ripetizione eccezionalmente elevate, regolabili e stabilizzate, adatte ad applicazioni impegnative nella metrologia di precisione e nella lavorazione industriale.