Microrisonatori ottici fabbricati mediante polimerizzazione a due fotoni

In recent years, Two Photon Polymerization (TPP) has gained an important role among lithographic techniques providing sub-micron spatial resolution. TPP is based on non-linear processes that occur in transparent resist when they are exposed to high-peak intensity pulses. Focusing these pulses, achieved with femtosecond laser sources, permanent changes in the material are obtained; this method of fabrication is called Femtosecond Laser Micromachining (FLM). The possibility to realize structures with high resolution and tridimensional geometries is very interesting for applications in micro-optics, micro-fluidics, micro-mechanics and photonics. In particular, the microfabrication of optical passive elements has gained importance in optical revelation without markers or labels (Label Free Sensing). This kind of revelation is based on the change of the characteristics of optical elements due to the presence of particular molecules or analytes. Microresonators are an example: a microresonator is an optical cavity which has the function of a filter for precise wavelenght determined by the geometry of the structure. A variation in the surroinding medium, induced by the analyte solution or the molecules, causes a translation of the resonance condition which can be measured, the more the resonator is selective the more this shift is higher. High-Q microresonators achieve sensing resolution of a few ppm only using the resonance shift. The realization of microresonators using classic lithographic techniques requires many fabrication steps due to their intrinsic bidimensionality. Instead TPP can reduce the number of fabrication steps thanks to its capability of tridimensional fabrication by the translation of the sample, achieving high quality structures with a cost-effective technology. In this work TPP has been used to realize resonant microstructures in the SZ2080 and SU8 photoresists. This thesis describes the fabrication process of the microresonators and of the optical guiding structures, used to couple radiation in them, the characterization of the microstructures and in the end the results reached.

Negli ultimi anni tra le tecniche litograche per la fabbricazione di strutture sub-micrometriche con elevata risoluzione spaziale si è affermata la polimerizzazione a due fotoni (Two Photon Polymerization, TPP). La TPP si basa sul processo di assorbimento non lineare che avviene in resine trasparenti quando si è in presenza di impulsi laser ad elevata intensità di picco. Queste intensità sono raggiungibili utilizzando sorgenti laser a femtosecondi, si parla così di Femtosecond Laser Micromachining, FLM. La possibilità di realizzare strutture con elevate risoluzioni e con geometrie tridimensionali è molto interessante per quanto riguarda applicazioni in microottica, in micro-fluidica, in micro-meccanica e in fotonica. In particolare le microfabbricazioni di elementi ottici passivi hanno ottenuto crescente interesse per quanto riguarda l'ambito della rivelazione biologica senza l'uso di marcatori o coloranti (Label Free Sensing). Questo tipo di rivelazione si basa su elementi ottici che modificano alcune loro caratteristiche in presenza delle molecole o delle sostanze da analizzare. Un esempio di questi elementi sono i microrisonatori: un microrisonatore è una cavità ottica passiva che ha funzione filtrante per alcune lunghezze d'onda in base alla geometria della struttura stessa. Una variazione nel mezzo circostante al microrisonatore dovuta alla sostanza da analizzare o alla presenza delle molecole da rivelare comporta una traslazione misurabile delle lunghezze d'onda di risonanza, questa traslazione è più marcata maggiore è la selettività dell'azione filtrante della cavità. Microrisonatori ad elevato fattore di qualità (High-Q Resonators) permettono una rivelazione di molecole anche di poche parti per milione sfruttando solo la variazione delle risonanze. La realizzazione di microrisonatori attraverso tecniche litografiche classiche richiederebbe molti passaggi di fabbricazione poichè si basano tipicamente su lavorazioni bidimensionali, non è così invece nel caso della TPP. Infatti grazie alla capacità intrinseca di realizzare strutture tridimensionali traslando opportunamente il campione si riducono i passaggi di fabbricazione, ottenendo strutture ad elevata qualità con una tecnologia cost-effective. In questo lavoro di tesi si è utilizzata la TPP per la realizzazione di microrisonatori nelle resine SZ2080 e SU8, sono discussi i passaggi di fabbricazione e caratterizzazione che hanno portato alla scelta della resina migliore per questo tipo di microfabbricazioni. Sono mostrati anche i risultati di fabbricazione delle strutture ottiche guidanti per accoppiare radiazione nei microrisonatori per poterli sfruttare in modo applicativo.