Multi-colour power splitters based on femtosecond-laser-written directional couplers

In recent years the field of optical microscopy has been characterised by an increasing interest in the realization of Microscopes on Chip (MOCs), compact integrated systems encompassing optical and fluidic components for the automation of the imaging process. MOCs have the goal of revolutionizing access to powerful microscopy techniques, thanks to their reduced costs, simplicity of use and measurement automation. Among the many fabrication techniques utilized for the realization of integrated optic devices, femtosecond laser micromachining (FLM) is the one exploited in the present work. The goal of this work is the realization of an FLM-written integrated circuit working as a multi-wavelength power splitter to be utilized in a MOC. In fact, in biological sample imaging, the ability to discern multiple structures in the specimen is of paramount importance. In dealing with fluorescence microscopy, the evaluation of distinct fluorescent markers is therefore imperative. The need for multiple illumination wavelengths thus stems from the excitation of distinct fluorophores, with specific absorption lines. It is demonstrated that the required power-splitting device can be realized by exploiting directional couplers and that it is possible to achieve multi-wavelength operation by tuning their parameters. Two methods are reported which allow manufacturing power splitters operating at selected wavelengths and over an extended bandwidth. Furthermore, the experimental validation of these methods is described. The present work constitutes important evidence towards the realization of MOCs with ever-increasing quality, not dissimilar to the one attainable with bulk optics solutions.

Negli ultimi anni il campo della microscopia ottica ha mostrato un crescente interesse nello sviluppo di microscopi su chip (MOCs), ossia compatti sistemi integrati costituiti da componenti ottiche e fluidiche adatte all'automazione del processo di imaging. I MOC hanno lo scopo di rivoluzionare l'accesso a potenti tecniche di microscopia grazie ai loro costi ridotti, la semplicità di utilizzo e l'automazione della misura. Fra le molte tecniche di fabbricazione utilizzate per la realizzazione di dispositivi di ottica integrata, la microfabbricazione con laser a femtosecondi (FLM) è quella sfruttata in questo lavoro. L'obiettivo di questo progetto di tesi consiste nella realizzazione di un circuito di ottica integrata operante a multiple lunghezze d'onda, sviluppato tramite FLM, che operi come distributore di potenza da utilizzare in un MOC. Infatti, nell'imaging di campioni biologici, l'abilità di distinguere le diverse strutture presenti in un campione è di primaria importanza. Lavorando con microscopia a fluorescenza la capacità di valutare diversi marcatori fluorescenti è perciò imprescindibile. Il requisito di illuminazione a diverse lunghezze d'onda nasce dunque dalla necessità di eccitare specifici fluorofori. In questo lavoro è stata dimostrata la realizzazione di dispositivi per la distribuzione di potenza sfruttando accoppiatori direzionali e la possibilità di operazione a diverse lunghezze d'onda. Sono riportati due metodi per la fabbricazione di distributori di potenza operanti a singole lunghezze d'onda e in una banda estesa. Inoltre, è presentata la validazione sperimentale dei metodi descritti. Questo lavoro costituisce una importante evidenza della possibilità di realizzare MOC di alta qualità e non dissimile da quella ottenibile con sistemi in ottica da banco.