Three dimensional on chip tunable micro-lenses by femtosecond micromachining

Recent years have seen an exponential growing up of the scientific and industrial interest on the LabOnChip. The miniaturization of a typical laboratory for biological analysis in a compact device can find in the optical detection capability high advantage when such a platform will be able to transform the conventional laboratory experiment, simply, in its on-chip version. In a very broad sense, managing light in terms of excitation and analysis requires the capability of control its beam tracing. The necessity of engineering of a suitable micro-lens for these scopes is clear. In this thesis, we have concentrate our efforts in the projecting and characterization of a three-dimensional in-plane optofluidic tunable microlens fabricated on fused silica substrates by means of the FLICE technique. Our geometries essentially consist of cave spherical hollows that filled with different refractive index fluid allows a tunable modification of the focal length. The micro-lenses general technique of characterization and quality analysis have been presented and applied on the experimental results. A parallel simulation study has been accomplished using the well-known optics designing software Zemax. The results shows the capability of fabricating different 3D geometries of micro-lenses with focal lengths of the order of hundreds µm up to mm with a general good optical quality and a good accordance with the simulations and a tuning of about 2,2 mm on the same micro-lens simply using dilution of the same liquid. Furthermore, we have analyzed how differences in surface morphology can affect the focal length, the depth of focus and the spot size working with two different surface writing procedures. In the easy integration idea, we have tested the goodness of our device working with a collimated beam from a free laser and with a diverging beam from fiber as light sources, evidencing good accordance between simulation and experiment in both cases. A further analysis has been done evaluating the goodness of an optics through the study of the modulation transfer function of the micro-lens giving a general sense of the behavior of this technique fabricated ones.

Gli ultimi anni hanno visto una crescita esponenziale dell'interesse scientifico e industriale per i LabOnChip. La miniaturizzazione di un tipico laboratorio per analisi biologica in un dispositivo compatto microfluidico che esegua la stessa analisi ma in maniera più semplice ed allo stesso tempo con maggiore sensibilità e meno materiale necessario, dove poter integrare, in senso lato, le potenzialità della rivelazione e analisi ottica e fotonica. In un senso molto ampio, gestire la luce in termini di eccitazione e di analisi richiede la capacità di controllare la sua propagazione e, quindi, il suo fascio. Sembra chiaro il ruolo centrale dell'ingegnerizzazione di un’adeguata microlente per questi ambiti, capace di gestire facilmente la focalizzazione, la collimazione ed anche la divergenza (in alcuni casi specifici) del segnale ottico usato. In questa tesi abbiamo concentrare i nostri sforzi nella progettazione e caratterizzazione di microlenti 3D “in-plane” tunabili fabbricati su substrati di fused silica per mezzo della tecnica FLICE. La nostra geometria generale consiste essenzialmente di cavità sferiche, concave e convesse, che vengono riempite con diversi fluidi, e mix di essi, aventi differenti indici di rifrazione efficaci permettendo, di fatto, la variazione della lunghezza focale. Questa tecnica “optofluidica” di tuning è quello può offrire la maggiore variazione a partire da uno stimolo esterno. La tecnica generale di caratterizzazione e analisi della qualità ottica delle microlenti è stata presentata e applicata sui risultati sperimentali. In parallelo, è stato eseguito uno studio di simulazione dei vari dispositivi per mezzo del noto software Zemax. I risultati mostrano la capacità di fabbricare differenti geometrie di microlenti con lunghezza focale dell'ordine di poche centinaia di micrometri fino ai millimetri, con un generale buona qualità ottica supportata e in accordo con le simulazioni ottiche. La tunabilità viene sfruttata mostrando una sintonizzazione da 800μm a 3mm con una stessa microlente semplicemente usando differenti diluizioni dello stesso liquido. Abbiamo, inoltre, osservato come le differenze nella morfologia della superficie possono influenzare la lunghezza focale, la profondità della messa a fuoco e il diametro dello spot con due diverse procedure di scrittura di superficie. Tutte le volte che si desidera lavorare con un LabOnChip, bisogna tenere presente che il segnale luminoso deve essere in qualche maniera integrato o portato all’interno del chip con i mezzi di guidaggio ottico (fibre ottiche o guide d’onda). Pertanto, dopo aver verificato il principio di funzionamento delle micro-lenti con una sorgente laser collimata, era doveroso osservare e studiare cosa accade quando si ha a che fare con un fascio divergente, ad esempio come quello in uscita da una fibra ottica caratterizzata da una determinata Apertura Numerica. In entrambi i casi, fascio collimato e fascio proveniente da fibra ottica, si sono dimostrati buoni risultati in accordo con quanto previsto dalle simulazioni. Per chiudere il cerchio di un’analisi completa, abbiamo tentato di confrontare le nostre microlenti con una norma ISO di valutazione della qualità ottica normalmente usata nel mondo industriale delle micro-ottiche. Un'ulteriore analisi ottica è stata, quindi, realizzata valutando la funzione di trasferimento di modulazione (MTF) della microlente rafforzando la filosofia del lavoro presentato e delle nostre fabbricazioni.