Development of a broadband electronic bidimensional spectroscopy system in the near infrared

Time-resolved spectroscopy is a powerful technique that allows to explore the dynamics of a system by measuring its optical polarization response. In this thesis work I present my contribution for the realization of an innovative and promising set-up for a specific nonlinear technique: the bidimensional electronic spectroscopy (2DES). By this new technique it is possible to fully characterize the third order nonlinear polarization P(3) and to reveal the coupling between electronic transitions, to monitor the energy flow in complex system or to study the inhomogeneous broadening in congested samples. 2DES represents the most complete nonlinear spectroscopy tool to study a system, but it requires a complex set-up and a careful data-analysis. In order to perform this experiment, three incoming pulsed beams are required. In our laboratories we use the so called pump-probe configuration of 2DES where the first two interaction pulses, called pump pulses, have the same propagation ~k-vector and the probe pulse comes from another direction. The emitted signal is called photon echo and is detected along the probe direction. The most challenging part of the experiment is to control the two pump pulses that must be phase-locked. In our laboratories it has been proposed a new technique based on birefringent glass wedges, witch could simplify the experimental set-up and fit to ultrashort broadband pulses. My activity was involved in the opto-mechanical realization of this device followed by its optical characterization. Moreover I performed some preliminary measurements to test the set-up on carbon nanotubes (CNTs). The results obtained are very promising and can be used to address the problem of the inhomogeneous broadening in the nanotubes.

La spettroscopia ottica risolta nel tempo è un potente strumento che permette di esplorare le dinamiche di un sistema attraverso la risposta della polarizzazione ottica. Ad oggi sono molte le tecniche di spettroscopia nonlineare basate sull’interazione di impulsi con la materia, ed in questo elaborato presenterò la realizzazione del set-up di spettroscopia elettronica bidimensionale (2DES). L’informazione aggiunta da questa tecnica nuova e promettente riguarda proprio la misura completa del termine non lineare del terzo ordine della polarizzazione: P(3). Molti sono i vantaggi della 2DES; in particolare, dalle informazioni ricavate, è possibile tracciare eventuali accoppiamenti tra transizioni elettroniche, registrare le dinamiche di flussi di energia in sistemi complessi e misurare l’allargamento di riga inomogeneo in sistemi congestionati. Ad oggi la spettroscopia bidimensionale è lo strumento più completo per lo studio di sistemi, ma proprio per questo motivo essa richiede un set-up particolarmente complesso, e i dati ottenuti devono essere analizzati con cura. Per generare la polarizzazione del terzo ordine nella spettroscopia 2D c’è bisogno di tre impulsi. Il setup di 2DES realizzato nei nostri laboratori è in geometria pump-probe, ovvero prevede due impulsi con stesso vettore d’onda ~k chiamati impulsi di pompa (pump pulses) e un impulso di lettura (probe pulse). Il segnale emesso dal campione dopo l’interazione con i tre impulsi incidenti prende il nome di photon echo ed è emesso esattamente nella stessa direzione del probe. La principale difficoltà del setup di 2DES risiede nel controllo dei due impulsi di pompa che devono essere agganciati in fase (phase-locked). Per risolvere tale difficoltà è stato pensato, nei nostri laboratori, un compatto sistema di cunei (wedges) birifrangenti che permette la generazione dei due impulsi di pompa con le caratteristiche desiderate. Durante la mia tesi ho partecipato alla realizzazione dei componenti opto-meccanici e alla caratterizzazione di questo setup. Infine ho svolto alcune misure preliminari su un campione di nanotubi di carbonio dimostrando la potenzialità della spettroscopia bidimensionale nello studio dei sistemi inomogenei.