Z-scan methods for ultrashort pulsed laser microprocessing of transparent materials

Abstract

The use of femtosecond lasers has recently gained attention as a result of the recognition to Gérard Mourou and Donna Strickland with the award of the Nobel Prize in Physics 2018 "for their method of generating high-intensity, ultra-short optical pulses". The innumerable areas of application of ultrashort laser pulses have not yet been completely explored, but their possibilities for accessing the microworld are considered highly valuable.

Following this spirit, the objective of this thesis consisted in proposing and implementing feasible solutions to the challenges involved in the microfabrication of materials with ultrashort laser pulses for diverse advanced applications. To that end, attention was put in laser ablation of transparent polymers with spatial resolutions that transcend sharpness limitations due to light diffraction.

The results presented here were obtained during the development of the doctorate studies of the PhD program in Nanosciences at the Departament de Física Aplicada of the Universitat de Barcelona. It is structured as follows:

INTRODUCTION AND OBJECTIVES: This introductory chapter contains a description of the most significant microfabrication techniques, centered on laser-based methods. Having a key role in this thesis, the interaction between laser radiation and matter is shortly reviewed. The physical phenomena motivate the use of femtosecond lasers for the precise processing of transparent materials, where focus is put on their superficial laser ablation, the entailing challenges and its applications. The objectives pursued in this work close this first chapter.

EXPERIMENTAL: A description of the experimental setups implementing femtosecond laser systems, methods and materials applied during the trials constituting the developed research is presented in this chapter. The features of the laser sources together with the corresponding laser direct-write setups form the sections of this chapter, followed by some comments on Gaussian beams and their focusing. These found the presentation of the z-scan focusing technique. To close this chapter, some remarks and background about the employed materials are delivered.

Z-SCAN FOCUSING METHOD: The results obtained by putting to work the z-scan focusing technique introduced in the previous chapter are presented here. The theme is the development and characterization of the z-scan focusing technique as a method to address the issue of securing surface ablation of transparent material with femtosecond laser pulses. Its successful implementation in surface ablation of the transparent polymer polymethyl methacrylate (PMMA) with high spatial resolution is given as proof of the viability of the proposed strategy for a precise focusing of laser beams onto transparent materials.

The contents of this chapter include studies on transmittance and reflectance measurements at different focusing distances between the laser beam waist and the processed material surface through single laser pulse surface ablation and laser surface scanning for channel microfabrication (comparing their results), the beam waist position determination thanks to the transmittance measurements and analysis of the produced surface ablation.

APPLICATIONS IN LASER MICROFABRICATION OF MATERIALS: the implementation of the developed z- scan focusing technique was put to use in laser microfabrication of materials with diverse applications. The applications include the irradiation with femtosecond laser pulses of biodegradable polymers for profound hole ablation in polylactic acid (PLA) and study of the its influence in biodegradability of polylactic-co-glycolic acid, the laser perforation for leakage studies on

medical use polypropylene bags, and the laser fabrication of microfluidic guides for conductive line printing.

Owing to their diversity the chapter is divided in four sections, one for each topic. The various processed materials are briefly introduced, with some background supporting their study.

CONCLUSIONS: The last chapter sums up the most relevant results and main achievements that have been obtained during the development of this thesis in the form of closing remarks.

L’ús de làsers d’impulsos ultracurts ha rebut atenció recentment degut al reconeixement amb el Premi Nobel de Física de l’any 2018 a la tècnica que en permet la seva generació. Les seves àrees d’aplicació encara no han estat completament explorades, però les seves possibilitats per accedir al món microscòpic són considerades prometedores. Seguint aquest esperit, l’objectiu d’aquesta tesi és proposar i implementar solucions viables als reptes relacionats amb la microfabricació de materials amb impulsos làser ultracurts, específicament l’ablació làser de polímers transparents amb resolucions espacials que transcendeixin les limitacions de definició associades a la difracció de la llum.

INTRODUCCIÓ I OBJECTIUS: Aquest capítol descriu les tècniques de microfabricació més significatives, centrant-se en els mètodes làser. Degut al paper clau del làser en aquesta tesi, es fa una descripció breu de la interacció entre la radiació làser i la matèria. Els objectius plantejats completen aquest primer capítol.

EXPERIMENTAL: En aquest apartat es presenta una descripció dels muntatges experimentals amb sistemes làser de duració ultracurta, els mètodes i els materials emprats durant les proves que constitueixen la recerca i que serveixen de base per a la presentació del mètode d’enfocament z-scan.

MÈTODE D’ENFOCAMENT Z-SCAN: Els resultats obtinguts amb la tècnica proposada d’enfocament per z-scan són presentats aquí. El tema central és el desenvolupament i caracterització d’aquesta tècnica com a mètode per l’ablació superficial de materials transparents amb impulsos làser ultracurts. La implementació exitosa de l’ablació superficial del polimetilmetacrilat (PMMA) amb elevada resolució espacial demostra la viabilitat de l’estratègia proposada per enfocar amb precisió un feix làser a la superfície de materials transparents.

APLICACIONS PER AL MICROPROCESSAMENT LÀSER DE MATERIALS: La implementació de la tècnica desenvolupada d’enfocament per z-scan s’ha pogut traslladar al microprocessament de materials amb làser en diverses aplicacions com la irradiació de polímers biodegradables per a la producció de forats profunds en àcid polílàctic (PLA), la seva influència en la biodegradabilitat de l’àcid polílàctic-co-glicòlic (PLGA), la perforació de fuites en bosses de polipropilè d’ús mèdic, i la fabricació de guies microfluídiques per la impressió de línies conductores.

Conclusions: L’últim capítol resumeix els resultats més rellevants i els principals assoliments.