Femtosecond laser micromachining of integrated optofluidic devices for HHG and Soft-X spectroscopy

This thesis work focuses on the design and fabrication of two integrated optofluidic devices: one for the generation of extremely short pulses in the EUV - Soft X-ray range, through the High-order Harmonic Generation (HHG) process; the other, for the formation of thin liquid sheet jets. Such devices have been fabricated through the FLICE (Femtosecond Laser mIcromachining followed by Chemical Etching) technique on fused silica substrates. In fact, a tightly focused femtosecond laser beam can induce permanent modification in the glass with micrometre resolution. The irradiated pattern becomes then susceptible to chemical attacks allowing the fabrication of articulated 3D structures buried inside the glass substrate. The HHG device studied is a gas-cell chip for high-vacuum operation conditions. Thus, the aim is to effectively confine the gas for the harmonic generation just in a small volume (less than 1 mm^3), without introducing confinement glass windows. A first prototype of cell has been fabricated and studied through computer simulations and experimental measurements. The good results obtained suggested the fabrication of an upgraded version employing an integrated differential pumping scheme for the cell. The liquid jet integrated device follows the colliding jet compact geometry, in which two spiralling channels are realized on the same glass chip. The design of the device is studied for the final experimental conditions (Spectroscopy measurements of liquid samples by a Soft-X beam) and to produce a few hundred nanometres thick liquid films. The FLICE irradiation conditions are optimized to allow the fabrication of such a complex structure.

L’attività di tesi si basa sulla progettazione e sulla fabbricazione di due dispositive opto-fluidici integrati: uno, per la generazione di impulsi molto brevi nell’estremo ultravioletto o raggi X “morbidi”, attraverso un processo di generazione di armoniche di ordine elevato (HHG); l’altro per la formazione di un getto sottile di liquido. Tali dispositivi sono stati fabbricati con la tecnica FLICE (microlavorazione con laser a femtosecondi seguita da trattamento chimico) su substrati di silice. Un fascio laser a femtosecondi fortemente focalizzato è in grado di indurre modifiche permanenti nel vetro con una risoluzione di qualche micrometro. La regione irraggiata diventa sensibile ad attacchi chimici, permettendo la realizzazione di strutture tridimensionali complesse sepolte nel substrato di vetro. Il dispositivo studiato per fare HHG è un chip a cella di gas per l’utilizzo di condizioni di alto vuoto. Lo scopo è quello di confinare efficacemente il gas for la generazione di armoniche in un volume ridotto (meno di 1mm^3), senza l’uso di finestre di vetro. Un primo prototipo di cella è stato fabbricato e studiato sia mediante simulazioni a computer sia per via sperimentale. Gli ottimi risultati ottenuti hanno suggerito la realizzazione di una versione aggiornata del chip che impiegasse uno schema di pompaggio differenziale integrato della cella. Il dispositivo integrato per la creazione di un getto di liquido è stato pensato secondo una geometria compatta a getti collidenti, in cui due canali ricurvi sono realizzati nello stresso substrato di vetro. La progettazione del dispositivo è stata dettata dalle condizioni sperimentali finali (misure spettroscopiche di campioni liquidi tramite un fascio di raggi X “soffici”) e per produrre uno strato di liquido di qualche centinaio di nanometri. I parametri di irraggiamento della tecnica di fabbricazione FLICE sono stati ottimizzati per tale scopo.