Development and applications of nonlinear and time resolved microscopy techniques

Coherent Raman scattering (CRS) is a unique label-free spectroscopy and microscopy tool, providing chemically specific signature of the molecule based on its inherent molecular vibrations. Despite the growing recognition of CRS techniques, they are facing serious drawbacks, preventing them from the wider applications. In an attempt to overcome these limitations, we have developed a novel coherent Raman scattering technique - Balanced Detection Raman Induced Kerr Effect (BD-RIKE). It combines the advantages of coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS), such as being linear-background-free, and advantages of stimulated Raman scattering (SRS), including absence of non-resonant background, linear dependence on the concentration, self-heterodyne amplification. Furthermore, thanks to the possibility to measure both the imaginary and the real part of the nonlinear susceptibility, BD-RIKE gives direct access to the vibrational phase. Moreover, balanced-detection effectively cancels laser noise, allowing to achieve shot-noise limited detection. Widespread applications of CRS techniques require laser excitation setups, composed of at least two synchronized pulse trains, with a possibility to tune the wavelength of at least one of them independently. In commonly used setups it is done by exploiting either two independent electronically synchronized solid state lasers or by a solid state laser driving an optical parametric oscillators (OPO), resulting in complex, bulky and costly setups. Here we will presented a new technological approach for CRS microscopy based on spectral compression of femtosecond pulses emitted by a single amplified multiple-branch Er:fiber oscillator. The system offers performances close to the current state of the art but with significant advantages in terms of compactness and versatility. The Er:fiber laser system has also been successfully applied for pump-probe microscopy experiments. The complementary microscopic spatial resolution can be extremely useful, especially for studying nanoparticles, as it allows to measure the nonlinear time-resolved response from single particle, as well as heterogeneous samples, where the different molecular compounds are mixed, thus obtaining more precise information providing the link between the observed dynamical optical properties and the environment.

Lo Scattering Raman Coerente (CRS) è un tipo di spettroscopia e microscopia che evita l’utilizzo di marcatori e che restituisce una firma chimica specifica della molecola, basata sulle sue vibrazioni molecolari caratteristiche. Nonostante il crescente utilizzo delle tecniche di CRS, esse devono affrontare gravi inconvenienti, che impediscono il loro utilizzo per applicazioni più ampie. Nel tentativo di superare questi limiti, abbiamo sviluppato una nuova tecnica di spettroscopia CRS: Balanced Detection Raman Induced Kerr Effect ( BD - RIKE ), che combina i vantaggi della spettroscopia Raman Coerente anti-Stokes (CARS), come il fatto di essere linear-background-free, e i vantaggi dello Scattering Raman Stimolato (SRS), quali l'assenza di background non risonante, la dipendenza lineare dalla concentrazione e l’amplificazione auto-eterodina. Inoltre, grazie alla possibilità di misurare sia la parte immaginaria che quella reale della suscettività non lineare, la tecnica BD-RIKE dà accesso diretto alla fase vibrazionale. Con la rivelazione bilanciata si elimina efficacemente il rumore del laser permettendo di raggiungere il limite di shot-noise. Molte applicazioni di tecniche di CRS richiedono sistemi di eccitazione laser composti da almeno due treni di impulsi sincronizzati, con la possibilità di regolare indipendentemente la lunghezza d’onda di almeno uno dei due. Nei sistemi usati comunemente, ciò si fa sfruttando due laser indipendenti allo stato solido sincronizzati elettronicamente oppure con un unico laser allo stato solido che alimenta un oscillatore ottico parametrico (OPO), portando in entrambi i casi ad avere configurazioni complesse , ingombranti e costose. Qui si presenterà un nuovo approccio tecnologico per microscopia CRS basato sulla compressione spettrale di impulsi a femtosecondi emessi da un singolo oscillatore amplificato in fibra drogata all’erbio. Il sistema offre prestazioni vicine all’attuale stato dell’arte ma con vantaggi significativi in termini di compattezza e versatilità. Il sistema laser in fibra drogata all’erbio è stato utilizzato con successo per esperimenti di microscopia pump-probe. La risoluzione spaziale microscopica combinata con la risoluzione temporale può essere estremamente utile, specialmente per lo studio di nanoparticelle, poichè permette di misurare la risposta non lineare di singole particelle risolta in tempo, ma anche per campioni eterogenei, nei quali i vari composti molecolari sono mescolati, così che le dinamiche risolte spazialmente possano fornire il collegamento tra le proprietà ottiche dinamiche osservate e l’ambiente.