Design and development of a widely tunable narrowband mid-infrared source for photothermal microscopy

Fast and objective intraoperative cancer diagnosis is still limited by conventional histopathol- ogy, which remains slow, subjective, and only weakly quantitative. Label-free vibrational imaging offers a promising alternative thanks to its intrinsic molecular contrast, particu- larly within the mid-infrared (MIR) fingerprint region (5.5–10 μm), although traditional IR microscopy is hindered by diffraction-limited resolution and strong water absorption. The TROPHY project addresses these limitations by combining MIR photothermal excita- tion with wide-field digital holography: MIR absorption induces a refractive-index change that is read out by a short-wavelength probe, enabling sub-micrometer resolution with chemically selective hyperspectral contrast. A central bottleneck for wide-field photother- mal IR holography is the excitation source, which must deliver high-energy, narrowband, and broadly tunable MIR pulses over the fingerprint region. This thesis addresses this challenge by designing and developing a compact and robust MIR source providing (i) ∼ 10 cm−1 bandwidth, (ii) continuous tunability from 5.5 to 10 μm, and (iii) pulse energies above 10 μJ, in a form factor compatible with the TROPHY microscope. The adopted solution combines optical parametric amplification (OPA) and difference-frequency gen- eration (DFG) to produce narrowband MIR idler pulses via spectral focusing, enabled by engineered dispersion through grating-based compressors, while the impact of higher- order dispersion—particularly third-order dispersion—is analyzed as a limiting factor. The thesis involved the engineering of the MIR laser source, including the design of the optical layout, the optimization of beam geometries, and the selection of dispersive optics for precise pulse-dispersion management across the nonlinear stages. Particular attention was devoted to choosing opto-mechanical components that ensured compactness, stabil- ity, and robustness, in line with the constraints imposed by the TROPHY microscope. The construction and characterization of the source are currently ongoing.

La diagnosi intraoperatoria del cancro, rapida e oggettiva, è ancora oggi limitata dalla istopatologia convenzionale, che rimane lenta, soggettiva e solo debolmente quantita- tiva. L’imaging vibrazionale label-free offre un’alternativa promettente grazie al suo contrasto molecolare intrinseco, in particolare nella regione delle impronte digitali del medio infrarosso (MIR, 5.5–10 μm). Tuttavia, la microscopia IR tradizionale è ostaco- lata dalla risoluzione limitata dalla diffrazione e dalla forte assorbimento dell’acqua. Il progetto TROPHY affronta questi limiti combinando eccitazione fototermica MIR con olografia digitale a campo ampio: l’assorbimento MIR induce una variazione dell’indice di rifrazione che viene letta tramite una sonda a lunghezza d’onda più corta, consentendo una risoluzione sub-micrometrica con contrasto iperspettrale chimicamente selettivo. Un elemento critico per l’olografia fototermica IR a campo ampio è la sorgente di eccitazione, che deve fornire impulsi MIR ad alta energia, stretta banda e ampiamente sintonizzabili sull’intera regione delle impronte digitali. Questa tesi affronta tale sfida progettando e sviluppando una sorgente MIR compatta e robusta, capace di offrire (i) una larghezza di banda di circa 10 cm−1, (ii) sintonizzabilità continua da 5.5 a 10 μm e (iii) energie di impulso superiori a 10 μJ, in un formato compatibile con il microscopio TROPHY. La soluzione adottata combina amplificazione parametrica ottica (OPA) e generazione di frequenza differenziale (DFG) per ottenere impulsi idler MIR strettamente monocromatici tramite spectral focusing, reso possibile da una dispersione ingegnerizzata attraverso com- pressori a reticoli. Viene inoltre analizzato l’impatto della dispersione di ordine superi- ore—particolarmente la dispersione del terzo ordine—come fattore limitante. La tesi ha previsto l’ingegnerizzazione della sorgente MIR, comprendendo la progettazione del layout ottico, l’ottimizzazione delle geometrie dei fasci e la selezione della componentistica dis- persiva per un controllo accurato della dispersione degli impulsi nei vari stadi non lineari. Particolare attenzione è stata dedicata alla scelta di componenti opto-meccanici in grado di garantire compattezza, stabilità e robustezza, in linea con i vincoli imposti dal micro- scopio TROPHY. La realizzazione e la caratterizzazione della sorgente sono attualmente in corso.