Advanced techniques for optical spectroscopy of diffusive media

The research leading to this PhD dissertation has been accomplished in the Physics Department of Politecnico di Milano (Milano, Italy) and in the Division of Atomic Physics of Lund University (Lund, Sweden). The main framework of this work resides in the interaction of light with diffusive media (e. g. biological tissues, wood). During these three years, my work has been mainly dedicated to push the limits of Time-Resolved Diffuse Spectroscopy in terms of spectral range, portability of the instrument and of range of applicability (e.g. low scattering/high absorption samples). Moreover, I worked for applying this technique, together with GASMAS, in new innovative fields of investigation. In particular, this thesis consists of three main levels: - Exploration of applicability limits: critical situations for Time-Resolved measurements are taken into account, connected for example to high absorption and/or low scattering values of the sample. A study on the best operating conditions is presented, with the aim of finalizing the system for each particular application. - Instrument development: a portable time-resolved system and a laboratory workstation for time-resolved measurements in the extended spectral range 1100-1700 nm are developed. - Study of materials: results on the characterization of organic absorbers (as collagen and lipids) beyond 1100 nm and on the optical study of wood with combined measurements of time-resolved spectroscopy and GASMAS are presented. Other important results have been obtained from the optical analysis of wood. The measurements enabled us to monitor various properties of wood such as moisture content and oxygen diffusion. Moreover, valuable information could also be provided on wood internal structure, anisotropy, percentage of relative humidity, gas porosity and permeability.

La ricerca che ha condotto a questa tesi di Dottorato è stata portata avanti presso il Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano e presso la divisione di Fisica Atomica della University of Lund in Svezia. Questo lavoro di tesi si inserisce nel filone della interazione della luce con mezzi diffondenti (es. tessuti biologici, legno). Durante questi tre anni di ricerca il mio lavoro è stato principalmente dedicato a spingere i limiti della tecnica di spettroscopia risolta nel tempo per mezzi diffondenti per quanto riguarda il range spettrale, la portabilità dello strumento e il range di applicabilità (es. basso scattering/alto assorbimento). Inoltre, ho lavorato all’applicazione di questa tecnica, insieme con un’altra tecnica di spettroscopia nota come GASMAS, a nuovi campi applicativi. In particolare, la presente tesi si compone di tre livelli principali: - Esplorazione dei limiti di applicabilità: sono state prese in considerazione situazioni critiche alla buona riuscita di misure risolte nel tempo, ad esempio per un basso scattering e/o un alto assorbimento dei campioni. Uno studio sulle ottimali condizioni operative viene presentato, con lo scopo di finalizzare il sistema di spettroscopia risolta nel tempo per ogni particolare applicazione. - Sviluppo di strumentazione: un sistema per spettroscopia portatile e un sistema da laboratorio per misure nell’esteso range spettrale 1100-1700 nm sono stati sviluppati. - Studio di materiali: vengono presentati i risultati sulla caratterizzazione di assorbitori organici (come collagene e lipidi) nella regione spettrale oltre i 1100 nm e lo studio condotto sul legno con misure combinate di spettroscopia risolta nel tempo e techica GASMAS. In particolare, le analizi condotte sul legno ci hanno permesso di ottenere informazioni sulla struttura interna, l’anisotropia, l’umidità relativa, la porosità e la permeabilità dei campioni presi in esame.