Two-photon polymerization (2PP) is an additive manufacturing technique that allows the fabrication of complex 3D micro- and nanostructures with sub-diffraction resolution. It is a non-linear, threshold- based process that enables the polymerization of a very small volume of specific photoresists. The software-controlled movement of the laser focal point, where the polymerization occurs, relative to the photoresist allows for the creation of microstructures that would be conventionally impossible. In this thesis, 2PP is used to fabricate diffractive microlenses, called kinoform lenses. Kinoform lenses are very thin optical elements consisting of a sequence of concentric ridges that focus light by diffractively introducing a phase shift such as to obtain one (or more) points of constructive interference along the beam propagation axis. A parameter that characterizes the operation of this particular type of lens is the positive integer parameter”k”, which represents the maximum phase shift k2π introduced by the lens. This parameter is fundamental for evaluating the spatial and spectral behavior of the lenses, as well as their morphology. These types of lenses are designed for applications where their reduced thickness and volume represent important strengths, such as when coupled with microstructures for the analysis of material interaction with the organism of mice3, for this purpose realizing a miniaturized device to be implanted subcutaneously. This work focuses on the optimization of the fabrication process of kinoform microlenses, a process that proves to be difficult given the sub-micrometric size of their ridge structure. After successfully fabricating several samples of kinoform lenses, their morphology is studied to evaluate their actual adherence to the ideal model. The optical performance is evaluated through a characterization that determines the position and size of the focal point. As a validation and comparison with the results of the empirical characterizations, a numerical simulation is performed in parallel. The fabrication process has been optimized to obtain consistent and reproducible results, with the experimental spatial behavior of the lenses nicely reflecting the theoretical trends. In view of large-scale applications, this type of lens would be reproduced by nanoimprint lithography, which would allow the reproduction of the samples produced with 2PP using, in comparison, a minimal fraction of time and resources. The work presented in this thesis demonstrates the feasibility of fabricating kinoform microlenses with 2PP and the potential of this technology for the realization of miniaturized optical devices with tailored functionalities.

La polimerizzazione a due fotoni (2PP) `e una tecnica di produzione additiva che consente la fabbricazione di micro e nanostrutture 3D complesse con una risoluzione che va oltre il limite di diffrazione. E’ un processo non lineare a soglia, che permette di ottenere la polimerizzazione di un volume molto ristretto di particolari fotoresist. Il movimento controllato tramite software del fuoco del laser, dove avviene la polimerizzazione, rispetto al fotoresist permette di creare microstrutture convenzionalmente impossibili. La 2PP viene utilizzata nell’ambito di questa tesi per la fabbricazione di microlenti diffrattive, chiamate lenti kinoformi. Le lenti kinoformi sono elementi ottici molto sottili formati da una sequenza di creste concentriche che focalizzano la luce introducendo diffrattivamente uno sfasamento tale da ottenere uno (o più) punti di interferenza costruttiva lungo l’asse di propagazione del fascio. Un parametro che caratterizza il funzionamento di questo particolare tipo di lenti `e il parametro intero positivo ”k”, che rappresenta il valore massimo di sfasamento k2π che introduce la lente. Questo parametro `e fondamentale per valutarne il comportamento spaziale e spettrale, nonché la loro stessa morfologia. Questo tipo di lenti sono progettate per applicazioni dove il loro spessore e volume ridotti rappresentano importanti punti di forza, come ad esempio accoppiate con microstutture per l’analisi della interazione di materiali con l’organismo di una cavia, realizzando per questo scopo un device miniaturizzato impiantabile sottocute. Questo lavoro si focalizza sull’ottimizzazione del processo di fabbricazione di microlenti kinoformi, processo che si rivela essere difficoltoso date le dimensioni sub-micrometriche della loro struttura a creste. Dopo aver prodotto con successo diversi esemplari di lenti kinoformi, ne viene studiata la morfologia per valutarne l’effettiva aderenza al modello ideale. Le prestazioni ottiche vengono valutate tramite una caratterizzazione che ne determina la posizione e dimensioni del punto focale. Come validazione e confronto con i risultati delle caratterizzazioni empiriche, in parallelo viene svolta una simulazione numerica. Il processo di fabbricazione `e stato ottimizzato fino ad ottenere risultati consistenti e riproducibili, con un comportamento spaziale sperimentale delle lenti che ben rispecchia i risultati simulati. In vista di applicazioni su larga scala questo tipo di lenti verrebbero riprodotte tramite litografia a nanostampa, che permetterebbe di ripodrurre gli esemplari realizzati con 2PP impiegando, a confronto, una minima frazione di tempo e risorse. Il lavoro presentato in questa tesi dimostra la fattibilità della fabbricazione di microlenti kinoformi mediante la polimerizzazione a due fotoni (2PP) e il potenziale di questa tecnologia per la realizzazione di dispositivi ottici miniaturizzati con funzionalità ad-hoc.

Direct laser writing of kinoform lenses for intravital non-linear excitation microscopy

Penasa, Carlo Andrea
2022/2023

Abstract

Two-photon polymerization (2PP) is an additive manufacturing technique that allows the fabrication of complex 3D micro- and nanostructures with sub-diffraction resolution. It is a non-linear, threshold- based process that enables the polymerization of a very small volume of specific photoresists. The software-controlled movement of the laser focal point, where the polymerization occurs, relative to the photoresist allows for the creation of microstructures that would be conventionally impossible. In this thesis, 2PP is used to fabricate diffractive microlenses, called kinoform lenses. Kinoform lenses are very thin optical elements consisting of a sequence of concentric ridges that focus light by diffractively introducing a phase shift such as to obtain one (or more) points of constructive interference along the beam propagation axis. A parameter that characterizes the operation of this particular type of lens is the positive integer parameter”k”, which represents the maximum phase shift k2π introduced by the lens. This parameter is fundamental for evaluating the spatial and spectral behavior of the lenses, as well as their morphology. These types of lenses are designed for applications where their reduced thickness and volume represent important strengths, such as when coupled with microstructures for the analysis of material interaction with the organism of mice3, for this purpose realizing a miniaturized device to be implanted subcutaneously. This work focuses on the optimization of the fabrication process of kinoform microlenses, a process that proves to be difficult given the sub-micrometric size of their ridge structure. After successfully fabricating several samples of kinoform lenses, their morphology is studied to evaluate their actual adherence to the ideal model. The optical performance is evaluated through a characterization that determines the position and size of the focal point. As a validation and comparison with the results of the empirical characterizations, a numerical simulation is performed in parallel. The fabrication process has been optimized to obtain consistent and reproducible results, with the experimental spatial behavior of the lenses nicely reflecting the theoretical trends. In view of large-scale applications, this type of lens would be reproduced by nanoimprint lithography, which would allow the reproduction of the samples produced with 2PP using, in comparison, a minimal fraction of time and resources. The work presented in this thesis demonstrates the feasibility of fabricating kinoform microlenses with 2PP and the potential of this technology for the realization of miniaturized optical devices with tailored functionalities.
MARTINEZ VAZQUEZ, REBECA
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
9-apr-2024
2022/2023
La polimerizzazione a due fotoni (2PP) `e una tecnica di produzione additiva che consente la fabbricazione di micro e nanostrutture 3D complesse con una risoluzione che va oltre il limite di diffrazione. E’ un processo non lineare a soglia, che permette di ottenere la polimerizzazione di un volume molto ristretto di particolari fotoresist. Il movimento controllato tramite software del fuoco del laser, dove avviene la polimerizzazione, rispetto al fotoresist permette di creare microstrutture convenzionalmente impossibili. La 2PP viene utilizzata nell’ambito di questa tesi per la fabbricazione di microlenti diffrattive, chiamate lenti kinoformi. Le lenti kinoformi sono elementi ottici molto sottili formati da una sequenza di creste concentriche che focalizzano la luce introducendo diffrattivamente uno sfasamento tale da ottenere uno (o più) punti di interferenza costruttiva lungo l’asse di propagazione del fascio. Un parametro che caratterizza il funzionamento di questo particolare tipo di lenti `e il parametro intero positivo ”k”, che rappresenta il valore massimo di sfasamento k2π che introduce la lente. Questo parametro `e fondamentale per valutarne il comportamento spaziale e spettrale, nonché la loro stessa morfologia. Questo tipo di lenti sono progettate per applicazioni dove il loro spessore e volume ridotti rappresentano importanti punti di forza, come ad esempio accoppiate con microstutture per l’analisi della interazione di materiali con l’organismo di una cavia, realizzando per questo scopo un device miniaturizzato impiantabile sottocute. Questo lavoro si focalizza sull’ottimizzazione del processo di fabbricazione di microlenti kinoformi, processo che si rivela essere difficoltoso date le dimensioni sub-micrometriche della loro struttura a creste. Dopo aver prodotto con successo diversi esemplari di lenti kinoformi, ne viene studiata la morfologia per valutarne l’effettiva aderenza al modello ideale. Le prestazioni ottiche vengono valutate tramite una caratterizzazione che ne determina la posizione e dimensioni del punto focale. Come validazione e confronto con i risultati delle caratterizzazioni empiriche, in parallelo viene svolta una simulazione numerica. Il processo di fabbricazione `e stato ottimizzato fino ad ottenere risultati consistenti e riproducibili, con un comportamento spaziale sperimentale delle lenti che ben rispecchia i risultati simulati. In vista di applicazioni su larga scala questo tipo di lenti verrebbero riprodotte tramite litografia a nanostampa, che permetterebbe di ripodrurre gli esemplari realizzati con 2PP impiegando, a confronto, una minima frazione di tempo e risorse. Il lavoro presentato in questa tesi dimostra la fattibilità della fabbricazione di microlenti kinoformi mediante la polimerizzazione a due fotoni (2PP) e il potenziale di questa tecnologia per la realizzazione di dispositivi ottici miniaturizzati con funzionalità ad-hoc.
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