Raman spectroscopy allows the measurement of vibrational maps of samples with high spatial resolution, useful for the identification of chemical compounds without the use of labels. In general, however, spontaneous Raman techniques suffer from some disadvantages, mainly due to low signal levels and the possible presence of fluorescence signals, which can limit their applicability. On the other hand, coherent Raman techniques, such as Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS), exploiting the nonlinearity of the interaction between probe and sample light, permit to overcome the limits described above, and for this reason they are widely used despite the greater complexity and cost of the experimental apparatus. On the other hand, in the last twenty years, the great diffusion of ultrashort pulse laser oscillators and the availability of photonic crystal fibers for the generation of coherent white light have facilitated the development of CARS microscopes with low excitation energy and short acquisition times, which are particularly useful in the biological and biomedical fields. In this technical report, after a brief reference to the characteristics of the femtosecond CARS spectroscopy, the CARS microspectrometer made in C. R. Casaccia in the framework of an inter-departmental ENEA project is described. Furthermore, the experimental results obtained during the first two years of operation of the system are reported and discussed.

La spettroscopia Raman consente di misurare mappe vibrazionali di campioni con alta risoluzione spaziale, utili per l’identificazione di composti chimici senza l’utilizzo di marcatori. In generale però, le tecniche di Raman spontaneo soffrono di alcuni svantaggi, principalmente dovuti ai bassi livelli di segnale e alla eventuale presenza di segnali di fluorescenza, che possono limitarne l’applicabilità. Per contro, le tecniche di Raman coerente, come ad esempio la diffusione Raman Anti-Stokes coerente (CARS), sfruttando la nonlinearità dell’interazione tra luce di sonda e campione, permettono di superare i limiti sopra descritti, e per questa ragione sono ampiamente utilizzate nonostante la maggior complessità e il costo dell’apparato sperimentale. D’altronde, negli ultimi venti anni, la grande diffusione di oscillatori laser a impulsi ultracorti e la disponibilità di fibre a cristalli fotonici per la generazione di luce bianca coerente hanno facilitato lo sviluppo di microscopi CARS a bassa energia di eccitazione e tempi di acquisizione brevi, che sono di particolare utilità in campo biologico e biomedico. In questo rapporto tecnico, dopo un breve richiamo alle caratteristiche della spettroscopia CARS al femtosecondo, viene descritto il microspettrometro CARS realizzato nel C. R. Casaccia nell’ambito di un progetto ENEA inter-dipartimentale. Inoltre, vengono riportati e discussi i risultati sperimentali ottenuti durante i primi due anni di operatività del sistema.

Design and operation of a femtosecond micro-CARS experimental apparatus

Gagliardi, S.;Falconieri, M.;Marrocco, M.;Merla, C.;Rondino, F.
2021

Abstract

La spettroscopia Raman consente di misurare mappe vibrazionali di campioni con alta risoluzione spaziale, utili per l’identificazione di composti chimici senza l’utilizzo di marcatori. In generale però, le tecniche di Raman spontaneo soffrono di alcuni svantaggi, principalmente dovuti ai bassi livelli di segnale e alla eventuale presenza di segnali di fluorescenza, che possono limitarne l’applicabilità. Per contro, le tecniche di Raman coerente, come ad esempio la diffusione Raman Anti-Stokes coerente (CARS), sfruttando la nonlinearità dell’interazione tra luce di sonda e campione, permettono di superare i limiti sopra descritti, e per questa ragione sono ampiamente utilizzate nonostante la maggior complessità e il costo dell’apparato sperimentale. D’altronde, negli ultimi venti anni, la grande diffusione di oscillatori laser a impulsi ultracorti e la disponibilità di fibre a cristalli fotonici per la generazione di luce bianca coerente hanno facilitato lo sviluppo di microscopi CARS a bassa energia di eccitazione e tempi di acquisizione brevi, che sono di particolare utilità in campo biologico e biomedico. In questo rapporto tecnico, dopo un breve richiamo alle caratteristiche della spettroscopia CARS al femtosecondo, viene descritto il microspettrometro CARS realizzato nel C. R. Casaccia nell’ambito di un progetto ENEA inter-dipartimentale. Inoltre, vengono riportati e discussi i risultati sperimentali ottenuti durante i primi due anni di operatività del sistema.
Raman spectroscopy allows the measurement of vibrational maps of samples with high spatial resolution, useful for the identification of chemical compounds without the use of labels. In general, however, spontaneous Raman techniques suffer from some disadvantages, mainly due to low signal levels and the possible presence of fluorescence signals, which can limit their applicability. On the other hand, coherent Raman techniques, such as Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS), exploiting the nonlinearity of the interaction between probe and sample light, permit to overcome the limits described above, and for this reason they are widely used despite the greater complexity and cost of the experimental apparatus. On the other hand, in the last twenty years, the great diffusion of ultrashort pulse laser oscillators and the availability of photonic crystal fibers for the generation of coherent white light have facilitated the development of CARS microscopes with low excitation energy and short acquisition times, which are particularly useful in the biological and biomedical fields. In this technical report, after a brief reference to the characteristics of the femtosecond CARS spectroscopy, the CARS microspectrometer made in C. R. Casaccia in the framework of an inter-departmental ENEA project is described. Furthermore, the experimental results obtained during the first two years of operation of the system are reported and discussed.
Supercontinuum generation
Femtosecond CARS
Photonic crystal fiber
Nonlinear spectroscopy
Multiplex CARS
CARS al femtosecondo
Fibra a cristallo fotonico
Generazione di supercontinuo
Microscopia non lineare
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