Generazione di impulsi tunabili al picosecondo per spettroscopia

Raman risolta in tempo

Relatore: Dott. T.Scopigno

Laureanda: Michela Badioli

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• Spettroscopia Raman• Tecnica pump-probe • Femtosecond Stimulated Raman Spectroscopy (FSRS)• L’apparato realizzato:

– Amplificatore parametrico in due stadi– Compressione spettrale tramite generazione di seconda

armonica (SHG)• Risultati ottenuti

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Sommario

Spettroscopia Raman• Raman: fotoni Stokes

(Antistokes) diffusi anelasticamente:ωS=ω0-ωvib

ωAS=ω0+ωvib

• Raman stimolato: presenza di fotoni Stokes aumento della sezione d’urtodirezionalità

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Resonance Raman (RR)

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• Se l’energia di eccitazione si avvicina a quella di una transizione elettronica R il termine (νrR − ν 0 − νk)−1 domina sugli altri aumento della sezione d’urto

• L’intensità dei modi Raman della specie molecolare associata a quella particolare transizione viene in questo caso notevolmente aumentata, da 103 a 106 ordini di grandezzaUtilità nello studio di macromolecole biologiche

240

Raman pump-probe e limite di Fourier

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Linea di ritardo

probe

pump

CCD

monocromatore

campione

kt 15 cm-1 1ps

Impulsi larghezza spettrale

Limite di Fourier:

t ν

Pump-probe per lo studio di:• strutture transienti •reazioni chimiche•dinamiche ultraveloci fotoindotte

Raman pump-probe e limite di Fourier

6

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

10

20

30

40

50

Inte

nsity

Frequency (cm-1)

CW

Spettro del fruttosio

RR su emoproteine

His

Fe Fe

CO (NO, O2)PUMP PROBE

Il FixL

8

deoxy FixL: 5-coordinato

oxy FixL:6-coordinato

His

Fe

Kruglik et al. (2007)

FSRS: aggiramento del limite di Fourier

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FSRS

10

0 1000 20000,0000

0,0005

0,0010

0,0015

0,0020

0,0025

0,0030

Inte

nsity

(Kco

unts

)

Energy Shift (cm-1)

Spettro FSRS del cicloesano

Estensione FSRS alle proteine: requisiti

• Tunabilità 350-500nm• Banda “stretta” <20cm-1

• Energia ~µJ

• Amplificatore ottico parametrico in due stadi (OPA)

• Compressione spettrale (SHG)

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Strategia

Partendo da impulsi (laser Ti:Sa):• λ centrale 800nm•Δν~500cm-1

Δt~40fs

Amplificazione parametrica e SHG

Conservazione dell’energia e del momento

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SHG

AMPLIFICAZIONE PARAMETRICA

CRISTALLI BIRIFRANGENTI

Primo stadio

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0,5-1 µJ

650-1020nm

1,6mJ

Secondo stadio

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Output:20-30 µJ

Compressione spettrale

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LVV

FWHM

SHFF

11886,0

2ν0

ν0

0 0

~tutte le frequenze dello spettro della fondamentale partecipano al processo

Performance: tunabilità

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Larghezza di banda ed energia

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2-3µJLarghezze ≤15 cm-1

6 cm-1

11 cm-1

Conclusioni: confronto con altre tecniche

• Tecniche lineari: – Filtro passabanda– Reticolo

• Tecniche non lineari:– SFG– DFG

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Di impulsi con chirp

Rendimento energetico ≈ riduzione di banda

Laimgruber et al. (2006)Rendimento energetico 10%--- energia 14 µJ

compressione spettrale da 2,3nm0,17nm

Sistema realizzato:•Energie ~µJ•Δλ~0,2nm partendo da ~30nm (impulsi più corti)•Primo esempio di tunabilità nel range ~330-500nm

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GRAZIE

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Phase matching

BBO uniassico negativo ne<no

Polarizzazione del fascio di pompa lungo direzione straordinaria

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Tipo I os+oi ep

Tipo II : os+ei ep es+oiep

Cristalli birifrangenti:

Differenze tra phase matching di tipo I e II

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Walk off

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Rodopsina

• Studio fasi iniziali processo visione

• Reazione di fotoisomerizzazione: rodopsina batorodopsina

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