Femtosecond laser micromachining of integrated optofluidic devices for extreme UV generation in gases

This thesis work is devoted to the realization of integrated optofluidic devices for the generation of extreme ultraviolet radiation. These devices are fabricated on a glass substrate with a technique known as FLICE (Femtosecond Laser mIcromachining followed by Chemical Etching). A femtosecond tightly focused laser beam is able to modify locally the material, which in that zone becomes more sensitive to chemical attack. It is then possible to build with micrometric precision articulated, three-dimensional hollow structures, which can be employed in various applications. Here, they are designed to host the interaction between a strong femtosecond laser beam and noble gas molecules, a process which results in the emission of extreme ultraviolet radiation. In particular, a device which integrates a differential pumping system was realized, specifically developed to guarantee a good gas confinement aiming to replace the bulky apparatus used in a previous work [1]. In the framework of the additional thesis activity required by ASPRI project, it was simulated the gas flow inside this device. Meanwhile, the effects of a thermal treatment on a hollow waveguide used for Highorder Harmonic Generation (HHG) were studied. It was revealed an increase in the generation yield. This chip was characterized before and after the annealing, in the attempt of understanding how structural changes influences optical properties. This work represent a little step forward in the integration of multiple functionalities inside photonic devices and in the understanding of their working principles, because in future they will represent a precious instrument for the generation of ultrafast extreme ultraviolet and soft X-ray pulses.

Questo lavoro di tesi è dedicato allo sviluppo di dispostivi optofluidici integrati per la generazione di impulsi ad attosecondi nell’estremo ultravioletto. Tali dispositivi sono stati realizzati all’interno di un substrato di vetro con una tecnica nota come FLICE (Femtosecond Laser mIcromachining followed by Chemical Etching). Il fascio di un laser a femtosecondi viene focalizzato all’interno del materiale, che viene modificato localmente. La zona danneggiata diventa particolarmente sensibile ad un attacco chimico, e questo permette di fabbricare con precisione micrometrica delle strutture cave, tridimensionali ed articolate quanto si voglia, in un supporto delle dimensioni di qualche millimetro. Dispositivi così realizzati trovano diversi campi di applicazione. In questo caso, sono stati progettati per ospitare l’interazione tra un fascio laser a femtosecondi ad alta energia e le molecole di un gas nobile, fenomeno che risulta nell’emissione di radiazione nell’estremo ultravioletto. In particolare, è stato realizzato un dispositivo che integra un sistema di pompaggio differenziale, appositamente studiato per garantire il miglior confinamento del gas e sostituire un apparato esterno usato in un precedente lavoro [1]. Nell’ambito dell’attività aggiuntiva per la tesi richiesta dal percorso ASPRI, è stato simulato il flusso del gas al suo interno. Parallelamente, si sono studiati gli effetti di un trattamento termico subito da una guida cava utilizzata per la generazione di armoniche di ordine elevato (HHG), ed è stato rilevato un aumento della resa di generazione. Si è caratterizzato questo dispositivo prima e dopo il trattamento nel tentativo di comprendere la variazione delle proprietà ottiche a seguito di un cambiamento strutturale. Questo lavoro rappresenta un piccolo passo in avanti verso l’integrazione di un numero sempre maggiore di funzionalità all’interno di dispositivi fotonici e nella comprensione del loro funzionamento, che in futuro rappresenteranno un prezioso strumento per la generazione di impulsi ultra-brevi nell’estremo ultravioletto, fino ai raggi X.