Coherent Raman Spectroscopy from a single femtosecond oscillator

The thesis reports the development of three new approaches to Coherent Raman Spectroscopy (CRS), namely Coherent anti-Stokes Raman Scattering (CARS), Stimulated Raman Scattering (SRS) and Raman Induced Kerr-Effect (RIKE) spectroscopy, with overall much simplified laser excitation setups. CRS is a very powerful approach for label-free vibrational imaging of biological species and chemical compounds with high spatial resolution and acquisition speed. Widespread application of such techniques is currently hampered by the use of costly, complex and bulky laser excitation setups. This problem initiated a quest for simplified cost-effective solution. One solution makes part of the research activity as development of a versatile CRS setup based on spectral compression of femtosecond pulses emitted by an amplified “multiple”-branch Er-fiber oscillator to synthesize pump and Stokes pulses required for CRS. This new system can be easily reconfigured both for CARS (single-frequency and multiplex) and for SRS spectroscopy/ microscopy with performances close to the current state of the art but with significant advantages in terms of compactness, higher power scalability and versatility. One of the key feature is the availability of phase-coherent multiple branches, which makes the setup suitable for straightforward implementation of several techniques for the suppression of non-resonant background, such as interferometric CARS, FM CARS etc. Experimental results of spectroscopy/microscopy on CARS, SRS and interferometric CARS performed on the setup, are reported. The second approach that we persued is still oriented to the solution of one of the most critical issues of CARS, the presence of a non-resonant background (NRB),based on a time-resolved multiplex CARS spectroscopy setup where pump, Stokes and the broadband probe pulses are all derived from a single femtosecond Yb:KYW laser. The 1-MHz repetition rate of the system allows very intense CARS spectra to be obtained in short acquisition times, while a delayed probe pulse ensures efficient NRB suppression. The third part of the thesis gives theoretical explanation and experimental details of a novel CRS approach called balanced-detection Raman-induced Kerr effect (BD-RIKE) microscopy, as a new powerful coherent Raman imaging technique. It combines the advantage of CARS i.e. the absence of a linear background with the main advantages of SRS i.e. the linear dependence on the concentration of the targeted molecules and NRB-free response.

Il presente lavoro di tesi riporta lo sviluppo di tre nuovi approcci alla spettroscopia Raman coerente (CRS): diffusione Raman coerente di fotoni antistokes (CARS), diffusione Raman coerente di fotoni provenienti da Raman stimolato (SRS), spettroscopia Raman indotta da effetto Kerr (RIKES). I metodi CRS rappresentano un valido e potente strumento per lo sviluppo delle microscopie vibrazionali nonlineari, che non richiedono l’impiego di molecole bersaglio per analisi chimico-fisiche. Tuttavia attualmente l'applicazione e la diffusione di tali tecniche è fortemente limitata dalla complessità degli apparati sperimentali comunemente utilizzati. Nella prima parte di questo lavoro di tesi viene presentato un nuovo apparato sperimentale per CRS. Tale apparato è basato sulla compressione spettrale di impulsi ultrabrevi (della durata temporale dei femtosecondi) emessi per mezzo di un oscillatore ad Erbio in fibra pompato a diodi. Il nuovo sistema può essere facilmente configurato sia per CARS (a singola e multipla frequenza) che per spettroscopie e microscopia basate su Raman stimolato con prestazioni molto vicine allo stato attuale dell’arte in tali settori scientifici, ma con significativi vantaggi in termini di compattezza e versatilità della strumentazione. Una delle caratteristiche chiave è rappresentata dalla disponibilità di “uscite” multiple coerenti in fase, che rendono immediata l’implementazione di diverse tecniche (CARS, FM-CARS). La seconda parte del lavoro affronta un'importante criticità riguardante la tecnica CARS, cioè la presenza di rumore elettronico non-risonante (NRB), ed illustra una soluzione innovativa atta alla rimozione di tale rumore, attraverso l’implementazione di una tecnica CARS risolta in tempo e multifrequenza, dove la pompa a banda stretta, lo stokes e la pompa a banda larga sono derivate da un laser a Yb ad impulsi ultrabrevi. La frequenza di ripetizione del sistema ha consentito di ottenere in un tempo breve spettri CARS molto intensi, mentre il tempo di ritardo degli impulsi assicurava la suppressione del rumore elettronico di fondo (NRB). La terza ed ultima parte del lavoro illustra gli aspetti teorici e l’implementazione sperimentale di un nuovo approccio alle tecniche di microscopia CRS, la microscopia Raman indotta per effetto Kerr con analisi bilanciata (BD-RIKE). Tale tecnica combina i vantaggi della tecnica CARS (cioè l'assenza di rumore lineare) con i vantaggi della tecnica SRS (dipendenza lineare dalla concentrazione del campione e indipendenza dal rumore elettronico di fondo - NRB).