Femtosecond-laser irradiation followed by chemical etching in an alumino-borosilicate glass

Femtosecond laser micromachining is a powerful technique to fabricate integrated optics and fluidic devices. In particular, Femtosecond Laser Irradiation followed by Chemical Etching allows to obtain hollow microstructures inside bulk, transparent materials. By writing waveguides and by etching microstructures on the same chip, it is possible to realize microfluidic devices with embedded optical circuits. One of the most used substrates for the fabrication of optofluidic devices with these techniques is fused silica, where, however, fabrication of high-quality waveguides is not trivial. In this work we aim at applying FLICE to a commercial alumino-borosilicate glass, where femtosecond-laser written optical circuits with high complexity have been demonstrated in the recent years. We were able to obtain an etching rate contrast between the illuminated and non-illuminated material of 25 using low scan speeds, around 1 mm/s and low repetition rate, 25 kHz, and an aqueous solution of HF as chemical agent for the chemical etching. The etching rate contrast further increased using an aqueous solution of KOH, reaching a value of 70, comparable to what is currently achieved in fused silica. The etching process can be consistently applied through a wide range of inscription depths in the substrate. We believed that the presented study opens interesting perspectives for the application of the FLICE technique in borosilicate glasses, potentially enabling the fabrication of optofluidic chips whit complex photonic circuitry.

La microfabbricazione con laser a femtosecondi è una potente tecnica grazie alla quale è possibile fabbricare circuiti ottici e circuiti microfluidici integrati. Per ottenere microstrutture cave all’interno di un substrato trasparente, il materiale è prima irraggiato usando un laser con impulsi a femtosecondi, e poi immerso in una soluzione che lo espone ad un attacco chimico. Scrivendo circuiti ottici e scavando microstrutture nello stesso chip, è possibile realizzare circuiti optofluidici integrati. Uno dei materiali più usati come substrato è la silice fusa, dove però la scrittura di guide d’onda di elevata qualità è un compito arduo. In questo lavoro di tesi il nostro obiettivo è di applicare la tecnica FLICE ad un vetro borosilicato commerciale, Corning EagleXG, in cui, negli ultimi anni, è stata dimostrata la possibilità di scrivere circuiti ottici con un alto livello di complessità. Nel nostro lavoro, siamo stati in grado di dimostrare, nelle tracce irraggiate, un aumento della sensibilità all’attacco chimico rispetto al materiale non irraggiato pari a 25 volte. Questo risultato è stato ottenuto irraggiando il materiale con una frequenza degli impulsi di 25 kHz con una velocità di spostamento del fascio laser pari a 1 mm/s e successivamente immergendo il materiale irraggiato in una soluzione di HF, utilizzata per l’attacco chimico. Usando una soluzione di KOH è possibile incrementare ulteriormente l’aumento di sensibilità all’attacco chimico, l’incremento massimo di sensibilità ottenuto usando una soluzione di KOH è pari a 70 volte, questo valore è paragonabile all’aumento di sensibilità attualmente ottenibile nella silice fusa. L’aumento di sensibilità è stato dimostrato per diverse profondità di scrittura. Pensiamo che questo lavoro possa aprire interessanti prospettive riguardo l’applicazione della tecnica FLICE in vetri borosilicati, aprendo la possibilità di fabbricare circuiti optofluidici con circuiti ottici complessi.