Chemically selective microspectroscopy with broadband shaped femtosecond laser pulses [Elektronische Ressource] / Bernhard von Vacano

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: philipps-universitat_marburg
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 12
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 21 Mo

Extrait

Chemically selective
microspectroscopy with broadband
shaped femtosecond laser pulses












Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrads
der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)
Bernhard von Vacano
Fachbereich Chemie
Philipps-Universität Marburg

Marburg an der Lahn 2008



Chemically selective
microspectroscopy with broadband
shaped femtosecond laser pulses













Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrads
der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)
Bernhard von Vacano
Fachbereich Chemie
Philipps-Universität Marburg

Marburg an der Lahn 2008
























Erster Gutachter: Prof. Dr. Marcus Motzkus (FB Chemie)
Zweiter Gutachter: . Ulrich Höfer (FB Physik)

Tag der mündlichen Prüfung : 03.03.2008
Weitere Prüfer: Prof. Dr. Norbert Hampp und Prof. Dr. Andreas Seubert (beide FB Chemie)
Abstract
This doctoral thesis presents a new, unified approach to nonlinear microspectroscopy
employing tailored broadband femtosecond laser radiation. The key concept is to
functionalize the femtosecond excitation in order to implement a series of multiphoton
spectroscopy techniques, especially for microscopic imaging. The most important
application is coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) spectroscopy, which allows
chemical identification of untreated samples in microscopy due to their characteristic
vibrational spectra. The presented approach allows huge experimental simplifications of
CARS, schemes for very rapid spectral acquisition and determination of the chemical
composition (based on the quantitative analysis of entangled multiplex spectra by
evolutionary algorithm fitting), as well as new methods for microscopic CARS
measurements in the time-domain, resolving molecular vibrations temporally. This is
possible, because coherent control of the signal generation is applied, manipulating the
quantum mechanical processes of the underlying light-matter interaction by shaping the
excitation light field in phase, amplitude and polarization. Thus, spectroscopic function and
even molecular control is imprinted on the excitation pulses. It is shown that this idea of
functional “photonic integration” can be pursued even further by incorporating an
interferometric detection scheme in the same pulses without any additional optical elements
in the experimental setup, drastically improving the measurement sensitivity by more than
three orders of magnitude. In addition to these novel conceptual findings, new
technological developments have been invented and pushed forward. These include the
generation of ultrabroadband femtosecond radiation in microstructured optical fibres and
its precise phase measurement and management, which is a prerequisite for coherent
control. In this context, a new pulse-shaper enabled variant of SPIDER was developed,
allowing very rapid compression in collinear beam geometry in the microscope. Employing
the developed set of tools and concepts, application examples are given ranging from
quantitative chemical imaging of polymer blend samples, to the chemical identification of
potentially hazardous powdery substances and the microanalytical sensing of the chemical
composition in a microfluidic device.
i










ii Kurzzusammenfassung
In dieser Arbeit wird ein neuer, umfassender Ansatz für nichtlineare Spektroskopie im
Fokus eines Mikroskops vorgestellt. Dabei wird Laserstrahlung mit gezielt geformten
Femtosekunden-Impulsen verwendet. Das grundlegende Konzept ist die Funktionalisierung
der Femtosekunden-Laseranregung, um eine Reihe von Multiphotonen-Spektroskopie-
Methoden in ein und demselben Aufbau umzusetzen, und für die mikroskopische
Bildgebung verfügbar zu machen. Die wichtigste Methode dabei ist kohärente anti-Stokes
Raman Streuung (CARS), die das Vibrationsspektrum einer Probe nutzt, um sie chemisch
spezifisch zu identifizieren. Der hier verfolgte Ansatz stellt eine immense Vereinfachung
von CARS-Spektroskopie dar. Dabei wird zum einen ein Schema zur sehr rasche
Spektrenaufnahme und quantitativen Analyse komplexer Mehrkomponenten-Spektren
vorgestellt, das auf der Anpassung eines physikalischen Modells mittels eines evolutionären
Algorithmus basiert. Zudem werden neue Methoden entwickelt, die zum Beispiel CARS-
Messungen in die Zeitdomäne verlagern und in der Tat die Molekülschwingungen
zeitaufgelöst verfolgen. Das wird nur dadurch möglich, dass durch kohärente Kontrolle mit
in Phase, Amplitude und Polarisation geformten Anregungsimpulsen die Licht-Materie-
Wechselwirkung auf quantenmechanischem Niveau gezielt beeinflusst wird. Auf diese
Weise können die Laserimpulse selbst mit spektroskopischen Funktionen versehen werden.
Es wird gezeigt, dass diese funktionale „photonische Integration“ noch weiter getrieben
werden kann, indem auch interferometrische Detektion ohne weitere optische Bauelemente
durch Formung der Anregungsimpulse verwirklicht wird. Dies vereinfacht Experimente
deutlich und erhöht gleichzeitig die Empfindlichkeit von CARS drastisch um mehr als drei
Größenordnungen. Zusätzlich zu diesen neu entwickelten Konzepten werden für die
Verwirklichung notwendige technische Neuentwicklungen vorgestellt, darunter die
Erzeugung von Breitband-Femtosekunden-Impulsen in mikrostrukturierten Fasern und
deren genaue Charakterisierung und Kompression durch eine neue, Impulsformer-basierte
Variante der SPIDER-Methode. In der Anwendung der neuen Spektroskopietechniken
werden Beispiele gezeigt, die von der quantitativen chemischen Bildgebung von Polymer-
Blends, über die selektive Detektion von Markermolekülen für biologische Kampfstoffe
(Anthrax) bis zu ersten analytischen Anwendungen bei der Messung chemischer
Zusammensetzungen in einer mikrofludischen Zelle.
Eine ausführliche Zusammenfassung in deutscher Sprache findet sich in Kapitel 8 am Ende
der Arbeit.
iii























Diese Arbeit wurde durch ein Promotionsstipendium
des „Fonds der chemischen Industrie“ gefördert.
iv List of publications in the context of this thesis

In peer-reviewed international journals:
• "Single-beam CARS spectroscopy applied to low-wavenumber vibrational modes",
B. von Vacano, W. Wohlleben and M. Motzkus, J. Raman Spectroscopy, 37 (2006) 404-410.
• "Actively Shaped Supercontinuum from a Photonic Crystal Fiber for Nonlinear Coherent
Microspectroscopy",
B. von Vacano, W. Wohlleben and M. Motzkus, Optics Letters, 31 (2006) 413-415.
• "In-situ broadband pulse compression for multiphoton microscopy using a shaper-assisted
collinear SPIDER",
B. von Vacano, T. Buckup and M. Motzkus, Optics Letters, 31 (2006) 1154-1156.
• "Time resolved two color single beam CARS employing supercontinuum and femtosecond
pulse shaping",
B. von Vacano and M. Motzkus, Optics Comm., 264 (2006) 488-493.
• "Highly sensitive single-beam heterodyne coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS)",
B. von Vacano, T. Buckup and M. Motzkus, Optics Letters, 31 (2006) 2495-2497.
• "Shaper-assisted collinear SPIDER: fast and simple broadband pulse compression in
nonlinear microscopy",
B. von Vacano, T. Buckup and M. Motzkus, J. Opt. Soc. Am. B, 24 (2007), 1091-1100.
• "Rapid polymer blend imaging with quantitative broadband multiplex-CARS microscopy",
B. von Vacano, L. Meyer and M. Motzkus, J. Raman Spectroscopy, 38 (2007) 916-926.
• "Molecular discrimination of a mixture with single-beam Raman control",
B. von Vacano and M. Motzkus, J. Chem. Phys., 127 (2007), 144514.
• "Parametrically amplified ultrashort pulses from shaped photonic crystal fiber
supercontinuum"
J. Möhring, T. Buckup, B. von Vacano and M. Motzkus, Optics Letters 33 (2008), 186-188.
• “Time-resolving molecular vibration for microanalytics: single laser beam nonlinear Raman
spectroscopy in simulation and experiment”,
B. von Vacano and M. Motzkus, Phys. Chem. Chem. Phys., 10 (2008), 681-691.

Submitted / In press:
• "Microanalytical nonlinear single-beam spectroscopy combining an unamplified
femtosecond fibre laser, pulse shaping and interferometry", B. von Vacano, J. Rehbinder, T.
Buckup and M. Motzkus, Applied Physics B, submitted.
• “Advanced multiphoton and CARS microscopy with broadband shaped femtosecond laser
pulses”, B. von Vacano and M. Motzkus, chapter for book on “Biochemical Applications of
Nonlinear Optical Spectroscopy” by V. Yakolev (ed.), Taylor and Francis, scheduled for 2008.

v In Proceedings:
• “Actively shaped Supercontinuum from a Photonic Crystal Fibre for Quantum Control
Microspectroscopy“, B. von Vacano,