Ultrafast laser-fabricated optofluidic platforms for short-wavelength light

This thesis explores the development of advanced optofluidic platforms fabricated through Femtosecond Laser Irradiation followed by Chemical Etching (FLICE) in fused silica. The research addresses two primary challenges in modern photonics: the miniaturization of High-Order Harmonic Generation (HHG) sources for Extreme Ultraviolet (EUV) light and the engineering of high-brightness liquid targets for spectroscopic applications. The investigation begins with a fundamental analysis of nonlinear light-matter interactions and modification regimes, which serve as the basis for the subsequent optimization of the FLICE protocol. A significant milestone of this work is the achievement of a record- breaking longitudinal etching rate of 826 μm/h using a specialized NaOH-based protocol, enabling the fabrication of high-aspect-ratio features with nanometric precision. The experimental results demonstrate the successful realization of increasingly complex monolithic architectures. These include integrated hollow waveguides for efficient gas- phase HHG, a stable on-chip EUV interferometer for attosecond metrology, and a multi- chamber differential pumping chip validated at the Deutsches Elektronen-Synchrotron facilities for high-vacuum operation. The research culminates in the development of a fully embedded dual-helix microfluidic chip designed for 5 μm liquid sheet generation within a 3 mm thick substrate. By synthesizing sophisticated 3D geometric design with rigorous chemical characteriza- tion, this work demonstrates that ultrafast laser-fabricated glass platforms offer a versa- tile and robust pathway for the integration of extreme nonlinear optics and microfluidics, paving the way for portable, high-performance soft X-ray sources and advanced fluidic targeting systems,

Questa tesi esplora lo sviluppo di piattaforme optofluidiche avanzate realizzate mediante Irraggiamento con Laser a Femtosecondi seguito da Attacco Chimico (FLICE) in silice fusa. La ricerca affronta due principali sfide della fotonica moderna: la miniaturizzazione delle sorgenti di Generazione di Armoniche di Ordine Elevato (HHG) per la produzione di luce nell’Ultravioletto Estremo (EUV) e l’ingegnerizzazione di bersagli liquidi ad alta brillantezza per applicazioni spettroscopiche. L’indagine inizia con un’analisi fondamentale delle interazioni non lineari tra luce e materia e dei regimi di modifica del materiale, che costituiscono la base per la successiva ottimizzazione del protocollo FLICE. Un risultato di particolare rilievo di questo lavoro è il raggiungimento di un tasso record di attacco chimico longitudinale pari a 826 μm/h mediante un protocollo specifico a base di NaOH, che consente la realizzazione di strutture ad elevato rapporto d’aspetto con precisione nanometrica. I risultati sperimentali dimostrano la realizzazione con successo di architetture monolitiche sempre più complesse. Tra queste figurano guide d’onda cave integrate per un’efficiente HHG in fase gassosa, un interferometro EUV stabile su chip per la metrologia attoseconda e un chip a pompaggio differenziale multistadio, validato presso le strutture del Deutsches Elektronen-Synchrotron per il funzionamento in condizioni di alto vuoto. La ricerca culmina nello sviluppo di un chip microfluidico completamente integrato con geometria a doppia elica, progettato per la generazione di fogli liquidi di 5 μm all’interno di un substrato di 3 mm di spessore. Combinando una sofisticata progettazione geometrica tridimensionale con una rigorosa caratterizzazione chimica, questo lavoro dimostra che le piattaforme in vetro fabbricate mediante laser ultrarapidi rappresentano una soluzione versatile e robusta per l’integrazione dell’ottica non lineare estrema e della microfluidica, aprendo la strada a sorgenti portatili di raggi X soffici ad alte prestazioni e a sistemi avanzati di generazione e gestione di bersagli fluidici.