Raman induced Kerr effect spectroscopy for label free molecule detection

This thesis concerns developing an innovative coherent Raman microscopy setup, based on a fiber oscillator connected to three amplifiers and with three outputs. It is an advantage compared to traditionally-used setups in terms of compactness, cost-efficiency, and versatility. Such a setup has been successfully applied on coherent vibrational spectroscopy experiments on various samples, in different configurations: CARS (Coherent Anti-Stokes Spectroscopy), SRS (Stimulated Raman Scattering), and on the most recent RIKES (Raman-Induced Kerr Effect Spectroscopy). It has been proved that RIKES, when combined with the balanced detection and a polarization control, is extremely competitive, not having the typical CARS non-resonant background, and at the same time granting a better signal to noise ratio than SRS. Obtained results suggest the chance to improve the implementation of the technique in order to investigate biological or biomedical samples. In the thesis, before presenting experimental results obtained, non-linear phenomena that take place in the exploited processes are vastly mathematically treated, as well as some of the technological aspects of the experimental setup used in the laboratory were discussed.

La tesi verte sullo sviluppo di un innovativo apparato di microscopia Raman coerente basato un oscillatore laser in fibra munito di tre stadi di amplificazione ed altrettante uscite, che offre un vantaggio significativo rispetto ai sistemi laser attualmente utilizzati in termini di compatezza e versatilità. Tale apparato sperimentale è stato applicato con successo in esperimenti di spettroscopia vibrazionale coerente su diversi tipi di campione, nelle configurazioni CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy), SRS (Stimulated Raman Scattering) e anche sulla più innovativa tecnica RIKES (Raman-Induced Kerr-Effect Spectroscopy). Si è dimostrato che quest’ultima, pur di utilizzare l’apparato in combinazione con una rivelazione bilanciata e un controllo della polarizzazione, risulta estremamente competitiva, in quando non presenta il background non risonante tipico del CARS e nello stesso tempo supera l’SRS nel rapporto segnale rumore. I risultati ottenuti suggeriscono che la tecnica proposta possa essere perfezionata e successivamente applicata per investigare campioni più complessi, quali campioni di interesse biologico o biomedico. Nella stessa tesi, prima di presentare i risultati sperimentali ottenuti, si sono ampiamente analizzati matematicamente i fenomeni non lineari che prendono parte ai processi sfruttati così come si sono approfonditi alcuni aspetti tecnologici riguardanti l’apparato sperimentale utilizzato in laboratorio.