Femtosecond laser micromachining of glass integrated devices for XUV filtering in high order harmonic generation

This thesis work is focused on the fabrication of fused silica chips used as integrated filters for High-order Harmonic Generation (HHG): a highly non-linear effect that generates coherent radiation in the form of high-order harmonics of the driving laser frequency. In particular, pulse trains in the attosecond time scale of extreme ultraviolet radiation (EUV) and soft X-rays (SXR) are generated. The generation chips, on which the filters will be integrated, exploit the interaction of some noble gases with IR radiation (800 nm) to generate XUV radiation, but the process is highly inefficient and the radiation at the output of the HHG stage has a residual component of the driving field that co-propagates with that generated. The various applications that use high-order harmonics require pure XUV radiation beams, so filters are used to remove the IR radiation. The purpose of the devices manufactured is to replace traditional (mainly metallic) filters with the same performance, but reducing the operating space and replacement time, increasing the filtered bandwidth and storing the IR radiation for re-use. To do so we will exploit the hollow waveguide principle, to modify the IR driving field beam a spatially separate it from the generated XUV. The filters are manufactured using the FLICE technique (Femtosecond Laser Irradiation followed by Chemical Etching) which, by combining irradiation with femtosecond pulses and acid etching of the glass sample, makes it possible to construct very complex hollow micrometric architectures. The generation chips also use the same technique. Our chip will consist of two hollow channels, one to guide IR radiation and the other to allow the transmission of XUV radiation. During this thesis project we studied this specific design by varying the size of the UV channels in order to experimentally find the best configuration. The filters were then optically characterized in order to assess their guideing characteristics, and therefore their ability of filtering, the IR radiation. These chips are presented as one of the first examples of integrable glass filters, whose operating principle, architecture and manufacturing method will pave the way for a future XUV spectroscopy lab on a chip. .

Questo lavoro di tesi si è focalizzato sulla fabbricazione di chip in silice fusa utilizzati come filtri integrati per la generazione armonica di alto ordine (HHG): un effetto altamente non lineare che genera radiazione coerente sotto forma di armoniche di alto ordine della frequenza del laser di guida. In particolare, vengono generati treni di impulsi nella scala temporale degli attosecondi della radiazione ultravioletta estrema (EUV) e dei raggi X morbidi (SXR). I chip di generazione, su cui verranno integrati i filtri, sfruttano l'interazione di alcuni gas nobili con la radiazione IR (800 nm) per generare radiazione XUV, ma il processo è altamente inefficiente e la radiazione all'uscita dello stadio HHG ha una componente residua del campo guida che co-propaga con quella generata. Le varie applicazioni che utilizzano armoniche di alto ordine richiedono fasci di radiazioni XUV pure, di conseguenza vengono utilizzati filtri per rimuovere la radiazione IR. Lo scopo dei dispositivi realizzati è quello di sostituire i filtri tradizionali (principalmente metallici) con le stesse prestazioni, ma riducendo lo spazio operativo e il tempo di sostituzione, aumentando la larghezza di banda filtrata e conservando la radiazione IR per riutilizzarla. Per fare questo sfrutteremo il principio della guida d'onda cava, per modificare il fascio di campo guida IR e separarlo spazialmente dal XUV generato. I filtri sono realizzati con la tecnica FLICE (Femtosecond Laser Irradiation followed by Chemical Etching) che, combinando l'irradiazione con impulsi a femtosecondi e l'incisione con acido del campione di vetro, permette di costruire architetture micrometriche cave molto complesse. Anche i chip di generazione utilizzano la stessa tecnica. Il nostro chip sarà composto da due canali cavi, uno per guidare la radiazione IR e l'altro per permettere la trasmissione della radiazione XUV. Durante questo progetto di tesi abbiamo studiato questo specifico design variando la dimensione dei canali UV al fine di trovare sperimentalmente la migliore configurazione. I filtri sono stati poi caratterizzati otticamente per valutare le loro caratteristiche di guida, e quindi la loro capacità di filtrare, la radiazione IR. Questi chip sono presentati come uno dei primi esempi di filtri di vetro integrabili, il cui principio di funzionamento, l'architettura e il metodo di fabbricazione apriranno la strada per un futuro laboratorio di spettroscopia XUV su un chip.