Tailored laser wave packets for advanced micro-structuring of materials

Abstract

In this work we experimentally tailor the laser beam wave front for producing novel beams with tunable optical characteristics, which dynamically can be employed for tailored Micro-Structuring of photosensitive materials using the Direct Laser Writing (DLW) technology by Multi-Photon Polymerization (MPP). Although the technique of DLW by MPP has been regarded as a powerful method for many applications providing high resolution structures, at the same time sets serious scaling limitations to the overall size of the fabricated structures leading to time consuming structuring. The increased demand for rapid fabrication, massive production, parallel processing, long scale structuring and high aspect ratio structures require disruptive solutions. For this reason, in the content of the present work, novel fabrication techniques, including Shaped Laser beams, Holographic lithography and Focal beam Engineering for advanced, multiscale and tunable laser material’s processing, are being developed, proposed and demonstrated. The thesis starts with the study of the novel accelerating ring-Airy beams, which due their abrupt autofocusing property, deliver high intensity contrast at the focus. Tunable-ring Airy beams are experimentally generated and employed for the fabrication of large three-dimensional structures with high resolution using multi-photon polymerization. We also demonstrate that, although paraxial, the ring-Airy beams can be used for structuring with resolution down to the wavelength limit. An important aspect in laser material processing applications is the thorough consideration of the focal volume scaling laws, which are unveiled during fabrication, especially for high aspect ratio focal volumes. For this reason, we report on the action of exposure time and peak Intensity on the growth of long-range focal volumes in Multiphoton Polymerization. Finally, in the last part of this thesis, a new versatile three-dimensional (3D) holographic focal volume engineering method is demonstrated and employed for advanced Multiphoton Polymerization. The method achieves significant fabrication time reduction (between one and two orders of magnitude) when compared to the point-by-point conventional laser polymerization technique.

Σε αυτή τη διδακτορική μελέτη κυματοπακέτα φωτός διαμορφώνονται πειραματικά στο χώρο για την παραγωγή καινοτόμων δεσμών λέιζερ με ρυθμιζόμενα οπτικά χαρακτηριστικά, τα οποία δυναμικά θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προσαρμοσμένη μικρο-διαμόρφωση φωτοευαίσθητων υλικών χρησιμοποιώντας την τεχνική Άμεσης Εγγραφής με Λέιζερ και του Πολυφωτονικού Πολυμερισμού. Παρόλο το γεγονός ότι η τεχνική άμεσης εγγραφής με λέιζερ έχει καθιερωθεί ως μία ισχυρή μέθοδος για πολλές εφαρμογές, επιτρέποντας την κατασκευή μίκρο- και νάνο-δομών υψηλής ευκρίνειας, ταυτόχρονα θέτει την κατασκευή δομών μεγάλης κλίμακας ως μία σημαντικά χρονοβόρα διαδικασία. Οι σύγχρονες απαιτήσεις για γρήγορη κατασκευή δομών, μαζική παραγωγή και δομές μεγάλης κλίμακας οδηγούν στην ανάγκη άμεσων λύσεων. Για αυτό στο πλάισιο αυτής της διδακτορικής μελέτης, καινοτόμες τεχνικές κατασκευής μικροδομών, συμπεριλαμβάνοντας νέες διαμορφωμένες δέσμες λέιζερ, ολογραφική λιθογραφία και κατάλληλη διαμόρφωση του εστιακού πεδίου με στόχο την εξειδικευμένη και ελεγχόμενη επεξεργασία υλικών, αναπτύσσονται και εφαρμόζονται. Η διατριβή αυτή ξεκινάει με την μελέτη των καινοτόμων επιταχυνόμενων ring-Airy δεσμών, οι οποίες λόγω της μοναδικής τους ιδιότητας να αυτοεστιάζονται, μπορούν να μεταφέρουν ισχυρές εντάσεις στο σημείο της εστίασης τους. Τέτοιες δέσμες με ελεγχόμενα χαρακτηριστικά παράχθηκαν πειραματικά και χρησιμποιήθηκαν για την κατασκευή τρισδιάστατων δομών υψηλής ευκρίνειας μέσω πολυφωτονικού πολυμερισμού. Παράλληλα, αποδεικνύεται ότι αυτές οι παραξονικές δέσμες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή δομών στο όριο του μήκους κύματος. Μία σημαντική παράμετρος στην επεξεργασία υλικών με λέιζερ είναι η πλήρης αντίληψη των νόμων που διέπουν την διαμόρφωση των φυσικών διαστάσεων του όγκου της εστίας κατά τον πολυμερισμό. Για αυτό το λόγω, η διατριβή αυτή συνεχίζει με τη μελέτη της επίδρασης της έντασης και χρόνου έκθεσης κατά την δημιουργία εστιακών όγκων μεγάλου μήκους κατά των πολυφωτονικό πολυμερισμό. Τέλος, μία ευέλικτη ολογραφική μέθοδος διαμόρφωσης της εστίας στις τρεις διαστάσεις παρουσιάζεται και εφαρμόζεται στον πολυφωτονικό πολυμερισμό. Η μέθοδος αυτή επιτυγχάνει σημαντική μείωση του συνολικού χρόνου που απαιτείται για την κατασκευή δομών μέχρι και δύο τάξεις μεγέθους συγκριτικά με την κοινή τεχνική άμεσης εγγραφής με λέιζερ.