Femtosecond laser micromachining of microfluidic devices for high order harmonic generation

This thesis project focuses on fabricating small glass chips designed for High-order Har- monic Generation (HHG), with the ultimate goal of generating short attosecon EUV/Soft X-Ray pulses for studying rapid molecular dynamics. Our challenge was to increase the efficiency of the generation process, shifting the spectral energy towards the so-called "water window" in the cutoff region of the harmonics spectrum. Extensive action was dedicated to fabricating chips with smaller waveguides, in order to increase the pressure of the gas used for generation. These efforts laid their foundation on producing microfluidic devices using a combina- tion of Femtosecond Laser Irradiation and Chemical Etching techniques. This innovative approach allowed us to construct complex three-dimensional structures within fused silica samples, surpassing the limitations of conventional fabrication methods. The device is made by a circular hollow waveguide, in which the generation takes place, connected to a rectangular reservoir through vertical nozzles. Four devices were fabri- cated, with diameters of 130, 100, 80 and 70 μm. Attention was also focused on finding the optimal recipe for thermal treatment, to smoothen the internal surface of the waveguide. Such a condition favours laser coupling, implying a reduction in the losses. Upon this topic, a characterization of the waveguide through laser coupling was per- formed, measuring the mode dimension and the losses. The fundamental laser exhibited a wavelength of 785 nm and 1550 nm. Experiments were also performed regarding the generation of the harmonics and their divergence, obtaining the spectra and the intensity profiles of the harmonics using helium

Questo progetto di tesi si concentra sulla produzione di piccoli chip di vetro utilizzati nella Generazione di Armoniche ad Ordini Elevati (High-Order Harmonic Generation), con l’obiettivo finale di generare brevi impulsi di EUV/Raggi X Soft nell’ordine degli at- tosecondi, solitamente utilizzati per lo studio della dinamica molecolare ultrarapida. La nostra sfida consisteva nell’aumentare l’efficienza del processo di generazione, cercando di raggiungere le energie della cosiddetta "water window" nella regione di "cut off" dello spettro delle armoniche. La maggior parte del lavoro è stato dedicato alla produzione di chip con guide d’onda di diametro sempre più piccolo, al fine di aumentare la pressione del gas utilizzato per la generazione. Ci siamo concentrati sulla realizzazione di dispositivi microfluidici utilizzando una com- binazione di irraggiamento con laser a femtosecondi e tecniche di "etching" chimico. Questo approccio innovativo ci ha permesso di costruire strutture tridimensionali comp- lesse all’interno di campioni di fused silica, superando i limiti dei metodi di fabbricazione convenzionali. Ogni dispositivo è costituito da una guida d’onda circolare cava, in cui avviene la gener- azione, collegata a un serbatoio rettangolare attraverso ugelli verticali. Sono stati fabbri- cati quattro dispositivi, con diametri di 130, 100, 80 e 70 micron. Abbiamo dato attenzione anche alla ricerca della ricetta ottimale per il trattamento termico, al fine di levigare la superficie interna della guida d’onda. Tale condizione favorisce l’accoppiamento laser, comportando una riduzione delle perdite. E’ anche stata effettuata una caratterizzazione della guida d’onda attraverso l’accoppiamento laser, misurando le dimensioni dei modi guidati e le relative perdite. I laser utilizzavano lunghezze d’onda di 785 nm e 1550 nm. Sono stati inoltre condotti esperimenti sulla generazione delle armoniche e sulla loro di- vergenza, ottenendo gli spettri e i profili di intensità utilizzando gas come l’elio.