Micronozzle design and fabrication by femtosecond laser micromachining for high-order harmonic generation

The present thesis work is devoted to the development, fabrication and demonstration of miniaturized glass chips for High-order Harmonic Generation (HHG), that in the future will be used to generate extreme ultraviolet (EUV) attosecond pulses, typically employed for the study of ultrafast molecular dynamics. In particular we have dealt with the problem of precise spatial control of the gaseous active medium in the region of interaction with the fundamental beam: the proposed solution relies on collimated gas jets, which are delivered by micro-scale nozzles facing an hollow waveguide. Significative effort has been devoted to the numerical modelling and design of these micrometric thrusters, considered both individually and inserted in a full HHG device. This has been the starting point for the fabrication of microfluidic devices by the means of Femtosecond Laser Irradiation followed by Chemical Etching technique, allowing to build complicated three-dimensional structures inside a fused silica sample, without the limitations of conventional fabrication methodologies. In particular, a first class of devices is represented by single nozzle chips, which have been realized for future empirical characterization of the gas jet profile; with this aim, an innovative imaging technique, based on nitrogen molecules emitting in the UV range, has been developed and applied to circular valves, scaling down to $250 \mu m$ size. The second class of devices integrate the micronozzles with the hollow waveguide where the fundamental beam propagates, basing on multiple solutions for the geometry of interaction between the laser and the gas. For these HHG chips, we have exploited the concept of Quasi-Phase-Matching (QPM) by periodic gas modulation, to enhance the harmonic signal and extend the wavelength cutoff. The experimental results, obtained with helium gas and 800 nm driving laser, confirm the possibility of miniaturizing traditional large beamlines for EUV radiation, starting from the harmonic generation stage.

Il lavoro di tesi è dedicato allo sviluppo, alla fabbricazione e all'utilizzo di chip in vetro miniaturizzati per la generazione di armoniche di ordine elevato (High-Order Harmonic Generation), con l'obiettivo futuro di produrre impulsi ad attosecondi nell'estremo ultravioletto (EUV), tipicamente impiegati nello studio di dinamiche molecolari ultrarapide. In particolare, abbiamo gestito il problema di un preciso controllo spaziale del gas usato come mezzo attivo, nella regione di interazione con il fascio fondamentale: la soluzione proposta si basa su getti di gas collimati, che sono forniti da ugelli micrometrici interfacciati ad una guida cava. Un lavoro significativo è stato dedicato alla modelizzazione numerica e alla progettazione di tali ugelli micrometrici, considerati sia individualmente che inseriti in un chip complesso per la generazione di armoniche. Questo è stato il punto di partenza per la fabbricazione di dispositivi microfluidici, impiegando la tecnica dell'irradiazione con impulsi a femtosecondi seguita da etching chimico (Femtosecond Laser Irradiation followed by Chemical Etching). Essa permette, difatti, di costruire complicate strutture con estensione tridimensionale, all'interno di un campione di vetro, senza le limitazioni delle metodologie di fabbricazione convenzionali. In particolare, una prima classe di dispositivi è costituita da chip a singolo nozzle, che sono stati realizzati per una futura caratterizzazione empirica del getto di gas; con questo obiettivo, una tecnica innovativa per immagini, basata sull'emissione da parte delle molecole di azoto nell'ultravioletto, è stata sviluppata ed applicata a valvole circolari, scendendo fino alla dimensione di 250 $\mu$m. La seconda classe di spositivi integra i microugelli con la guida cava in cui il fascio fondamentale propaga, sulla base di diverse soluzioni per la geometria di interazione tra gas e laser. Per questi dispositivi di generazione di armoniche, abbiamo sfruttato il concetto di Quasi-Phase-Matching (QPM) per mezzo di una modulazione periodica del getto di gas, con l'obiettivo di intensificare il segnale armonico e spostare la lunghezza d'onda a cui subisce un crollo. I risultati sperimentali, ottenuti in elio e con una sorgente di eccitazione a 800 nm, confermano la possibilità di miniaturizzare le linee laser dedicate alla manipolazione della radiazione EUV, tradizionalmente molto ampie, già a partire dalla fase della generazione delle armoniche.