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Dipartimento di Fisica - Politecnico di Milano

Microfabbricazione con impulsi laser IR ultrabrevi (FIRE)

Le microlavorazioni con laser a femtosecondi di materiali trasparenti sono un campo di ricerca che si è espanso rapidamente a partire dal primo lavoro della fine degli anni ’90. Questa tecnologia è passata dall’essere una semplice curiosità ad una solida e più versatile alternativa alle tecnologie standard. Inoltre le microlavorazioni con laser a femtosecondi hanno l’unicità di consentire una fabbricazione tridimensionale che permette di implementare nuove architetture di dispositivi.
L’idea di base dietro questa tecnologia è l’assorbimento non-lineare. L’intensità che si raggiunge nel volume focale di un impulso a femtosecondi focalizzato è talmente elevata da indurre fenomeni non-lineari quali la ionizzazione multifotonica o per effetto tunnel, seguita dalla ionizzazione a valanga: tali fenomeni producono un trasferimento di energia molto localizzato nel volume del materiale. Un’adeguata movimentazione del campione permette quindi di ottenere modifiche tridimensionali.
I componenti essenziali che possono essere fabbricati con questa tecnologia in materiali trasparenti sono le guide d’onda ottiche ed i canali microfluidici (questi ultimi richiedono però un successivo processo di attacco chimico). Ulteriori operazioni che possono essere svolte mediante questa tecnologia sono: saldatura, taglio, trattamento superficiale, etc. La combinazione di tutte queste capacità risulta particolarmente utile alla fabbricazione di dispositivi optofluidici complessi che vengono successivamente caratterizzati nei nostri laboratori.

Questo laboratorio è equipaggiato di strumentazione specifica per la microlavorazione laser a femtosecondi direttamente nel volume, nel caso di substrati trasparenti, o in superficie, per ogni tipo di materiale.

SORGENTI LASER

Questo laboratorio è equipaggiato di strumentazione specifica per la microlavorazione laser a femtosecondi direttamente nel volume, nel caso di substrati trasparenti, o in superficie, per ogni tipo di materiale. Sono disponibili per quest'attività due sorgenti laser a femtosecondi. Una è un oscillatore laser Yb: KYW a cavità estesa, funzionante in regime di mode-locking con cavity-dumping. Esso fornisce impulsi della durata di circa 300 fs, con energia di 1.5 μJ, a cadenza di ripetizione variabile tra 10 kHz e 1.1 MHz. Questo sistema laser è stato sviluppato in una collaborazione tra il Max-Planck Institut di Heidelberg e la HighQLaser GmbH, tenendo conto delle particolari esigenze delle attività di microlavorazione con impulsi a femtosecondi. L'altra sorgente è un sistema laser commerciale HighQLaser FemtoREGEN. E' basato su un oscillatore in mode-locking a itterbio, seguito da uno stadio di amplificazione rigenerativa. Gli impulsi generati hanno una durata di circa 400 fs, con energia di 16 μJ e cadenza di ripetizione variabile tra 1 kHz e 1 MHz.

FABBRICAZIONE DEI DISPOSITIVI

Sono presenti due linee di fabbricazione. Un sistema di specchi riconfigurabile permette di utilizzare in entrambe le linee uno qualsiasi dei due fasci laser o la loro seconda armonica, generata tramite un cristallo di LBO. La prima linea è munita di un sistema di traslazione a tre assi su cuscinetti d'aria (Aerotech FiberGLIDE 3D) per la movimentazione del campione, che consente una precisione in posizionamento di 50 nm e velocità fino a 300 mm/s. La seconda linea ha un sistema di movimentazione ibrido, ad aria e meccanico, con una precisione di 100 nm ed ha la possibilità di utilizzare un SLM per la fabbricazione parallelizzata a fuochi multipli. Diversi obiettivi da microscopio, con aperture numeriche comprese tra 0.3 e 1.4, sono a disposizione per focalizzare il fascio laser sul campione.


 



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