Femtosecond laser writing of glass and diamond microfluidic chips

In this thesis we demonstrated how ultrafast laser writing can be used to perform a variety of elements in the bulk and on the surface of transparent materials. Femtosecond laser inscription followed by chemical etching was adapted for the fabrication of fused silica based microfluidic channels. The double Y configuration that was laser inscribed in the bulk, as well as the dimensions of the channels enabled the formation of interfacing laminar flows with minimal diffusion. We developed a procedure for the functionalization of the walls of microfluidic channels with chromophores. Additionally, we proved that the fixation of said chromophores does not prohibit them from performing heterogeneous photoinduced electron transfer reaction when the appropriate electron donor compound was introduced in the channel. The ability of double Y microfluidic channels to create layers was observed with the use of a base-base indicator pair of flows as well as with Rhodamine 6G – Ethanol. The latter was analyzed further, and the microfluidic parameters were calculated for such a system. We took advantage of the layers’ formation and we performed selective functionalization of half of the channel by using the other stream as a liquid mask. Last but not least, we formed a liquid-liquid interface between a fluorophore and its quencher, and we observed for the first time an in-flow photoinduced electron transfer reaction throughout the diffusion zone of the two streams. Such a configuration could be used in the development of sustainable and more efficient photochemical microreactors, since the active species remain separate from the quencher thus allowing for the elimination of back-transfer reactions. Finally, we explored the capabilities of diamond as a promising future material for microfluidic devices. We demonstrated how a femtosecond laser beam can effectively ablate well shaped channels on the surface of diamond at the appropriate writing conditions. Subsequently we cross interfaced a surface microfluidic channel with varying depth waveguides. We observed that the moderately intercepted waveguides maintain their guiding properties, however increased losses were observed. Furthermore, we managed to create a complete microfluidic channel on diamond by exploiting the hole drilling abilities of Bessel beams. Fully functional diamond microfluidic channels coupled with optical waveguides will enable their use in quantum sensing.

In questa tesi mostriamo come la tecnica dell’ultrafast laser writing può essere usata per realizzare una varietà di elementi all’interno del volume e sulla superficie di materiali trasparenti. La femtosecond laser inscription seguita da incisione chimica è stata adottata per la fabbricazione di canali microfluidici a base di silicio fuso. La configurazione a doppia Y inscritta nel volume del materiale e le dimensioni dei canali hanno consentito la formazione di flussi laminari a contatto con diffusione minima. Abbiamo sviluppato un processo per la funzionalizzazione delle pareti di canali microfluidici con cromofori. Inoltre, abbiamo dimostrato che il fissaggio di tali cromofori non impedisce agli stessi di performare reazioni eterogenee e foto-indotte di trasferimento di elettroni quando un adeguato composto donatore di elettroni è stato introdotto nel canale. L’abilità di canalici microfluidici a doppia Y di creare flussi laminari è stata osservata attraverso l’uso di una coppia di indicatori di flussi base-base, così come attraverso Rodamina 6G – Etanolo. Quest ultimo è stato ulteriormente analizzato, e i parametri microfluidici di tale sistema sono stati calcoltati. Sfruttando la formazione di lamine abbiamo compiuto una funzionalizzazione selettiva di metà dei canali usando l’altro flusso come una maschera liquida. Infine, abbiamo formato un’interfaccia liquido-liquido tra un fluoroforo ed un suo quencher, osservando per la prima volta una reazione foto-indotta di trasferimento di elettroni all’interno del flusso attraverso la zona di diffusione dei due flussi stessi. Una tale configurazione potrebbe essere utilizzata per lo sviluppo di microreattori sostenibili e più efficienti, dato che le specie attive rimangono separate dal quencher permettendo quindi l’eliminazione di reazioni di trasferimento inverse. In conclusione, abbiamo esplorato le capacità del diamante come materiale promettente per il futuro di dispositivi microfluidici. Abbiamo dimostrato come un fascio laser a femtosecondi possa ablare efficacemente canali di buona qualità sulla superficie del diamante se opportune condizioni di scrittura vengono utilizzate. Successivamente abbiamo interfacciato un canale microfluidico in superficie con guide ottiche a diverse profondità. Abbiamo osservato che le guide ottiche intercettate in maniera moderata mantengono le proprietà guidanti, nonostante siano caratterizzate da maggiori perdite. Inoltre, siamo riusciti a creare un canale microfluidico completo sul diamante sfruttando le capacità di foratura dei fasci di Bessel. Canali microfluidici in diamante completamente funzionali combinati con guide ottiche potranno essere applicati nell’ambito dei sensori quantistici.