High-order harmonic generation in a chip fabricated through femtosecond laser irradiation followed by chemical etching techniques

High-order harmonic generation (HHG) is a strongly nonlinear process which follows with the interaction of a very intense and short laser radiation with matter. The physical process consists in the emission of electrons from the atoms or molecules constituting the target, usually in the gaseous form; these electrons are accelerated back from the pulse electric field and the impact with their respective parent ions causes the emission of extreme ultraviolet radiation (XUV), under the form of high-order harmonics of the fundamental. This process is a useful tool to obtain isolated attosecond (10^-18 s) pulses and a coherent radiation with very short central wavelength, necessary to study ultrafast molecular dynamics and to probe targets in an unprecedented spectral region. Big facilities or room-sized laboratories are needed to generate these outputs. At the same time, optics is pushing towards the world of integrated photonic devices, with the advent of optofluidic. The aim of this master thesis work is to join for the first time attosecond physics with optofluidics. A fused silica chip with a hollow-core channel, fabricated with the femtosecond laser micromachining followed by chemical etching technique (FLICE), hosts the flowing fluid target in which the HHG process can take place. Results are gathered for different working conditions, like pressure and incoming laser intensity, and then interpreted considering the different phase matching conditions established inside the capillary, demonstrating the compatibility of HHG and optofluidics. Spectra are obtained in different noble gases using an 800 nm driver and the accordance between simulated and observed measurements serves as clear evidence of an in-channel harmonic generation. Moreover, a systematic comparison between the usually employed techniques to obtain HHG and the hollow-core chip shows a promising favorable scaling of the efficiency of the process. These results paved the way to a series of new devices fabricated with the same technique and which will allow an overall reduction of the setup encumbrance along with an increased complexity of the experimental apparatus.

La generazione di armoniche di ordine elevato (high-order harmonic generation, HHG) è un processo fortemente non lineare successivo all'interazione di una radiazione laser, molto intensa e di breve durata, con la materia. Il processo fisico consiste nell'emissione di elettroni da parte degli atomi o molecole che costituiscono il bersaglio, solitamente in forma gassosa; questi elettroni sono quindi riaccelerati dal campo elettrico dell'impulso fino ad impattare contro i rispettivi ioni parenti, causando così l'emissione di radiazione nell'estremo ultravioletto (XUV) sotto forma di armoniche di ordine elevato della fondamentale. Questo processo è un utile strumento per ottenere impulsi isolati ad attosecondi (10^-18 s) e una radiazione coerente con lunghezza d'onda centrale molto corta, necessaria a studiare dinamiche molecolari ultraveloci e a sondare target in una nuova regione spettrale. Grandi strutture o interi laboratori sono necessari per ottenere questi output. Al contempo, l'ottica sta dirigendo attenzioni verso il mondo dei dispositivi fotonici integrati, con l'avvento della cosiddetta optofluidica. Lo scopo di questa tesi magistrale è quello di unire per la prima volta la fisica degli attosecondi all'optofluidica. Un chip di vetro con all'interno un canale cavo, fabbricato tramite irraggiamento con laser a femtosecondi seguito da etching chimico (femtosecond laser irradiation followed by chemical etching, FLICE), ospita il target fluido nel quale il processo di HHG ha luogo. I risultati sperimentali sono raccolti per differenti condizioni di lavoro, come la pressione e l'intensità incidente, e interpretati considerando le diverse condizioni di phase matching instauratesi all'interno del capillare, dimostrando la compatibilità tra l'HHG e l'optofluidica. Gli spettri sono ottenuti in vari gas nobili, utilizzando una lunghezza d'onda incidente di 800 nm; l'accordo tra le misure osservate e simulate è una chiara evidenza della generazione di armoniche all'interno del canale. Per di più, un confronto sistematico tra le tecniche solitamente impiegate per l'HHG e il chip cavo mostra uno scaling favorevole e promettente per quanto riguarda l'efficienza del processo. Questi risultati lastricano la strada ad una serie di nuovi dispositivi fabbricati con le stesse tecniche e che permetteranno una complessiva riduzione dell'ingombro del setup di pari passo con una maggiore complessità dell'apparato sperimentale.