Design and development of photonic devices using direct laser writing techniques

Abstract

This thesis initially presents a comprehensive exploration of laser technology and its diverse applications across various fields, from fundamental research to practical implementations. It provides a detailed examination of lasers, including their historical development and their wide-ranging applications in industries such as manufacturing, medicine, and telecommunications. The thesis explores the fundamental components of laser systems and the different types of lasers emphasizing parameters crucial for tailoring laser functionality to specific applications. Furthermore, it investigates Direct Laser Writing (DLW) techniques, providing insights into subtractive, additive, and modification processes, with a particular focus on laser ablation and femtosecond laser-induced modifications of transparent materials. Additionally, it presents the importance of controlling the focus position during the DLW techniques. Introducing the concept of integrated optics, the thesis highlights Silica and Silica-on-Silicon platforms as predominant materials for optical functions. It outlines the objectives of the "Integrated Photonic Quantum Circuits (InPhoQuC)" project aiming to advance integrated photonic quantum circuits with embedded single photon sources emphasizing the transformative shift from traditional optics to integrated photonics. Through computational simulations and experimental studies, innovative approaches are proposed to optimize the integration and increase the coupling efficiency of nanowire quantum dots (NWQDs) into photonic circuits, thus facilitating scalable quantum computing applications. Experimental investigations with a Direct Laser Writing system explore the feasibility of Silica micromachining using femtosecond laser technology and the laser writing system that has been developed in the lab. These studies are crucial for optimizing fabrication processes, particularly for integrating NWQDs and microspheres into Silica-based photonic structures. Simultaneously, the exploration of alternative techniques, such as post-process wet chemical etching, complements the understanding of femtosecond laser-based micromachining. The thesis also focuses on the development of devices created through femtosecond laser irradiation, including nanostructured Silicon substrates for enhancing biocompatibility in cancer cell adhesion studies. Additionally, the comparative studies that were conducted on the effectiveness of various lasers' in modifying the surface of intraocular lenses (IOLs) for the purpose of using them for personalized vision correction solutions further enhance the understanding of laser-material interactions. Finally, it explores the possibilities of femtosecond laser irradiation by treating PMMA and PMMA thin films doped with silver nanoparticles. Detailing the experimental setup utilizing a continuous wave Diode Laser for direct laser writing, the thesis emphasizes the importance of precise beam spot positioning and control during irradiation. For this purpose it proposes an autofocus system for controlling the diode based laser writing process. Also, presents an extensive study on customizing a diode laser module to optimize beam collimation and circularization for improved performance of the direct writing system. Continuing the exploration, the thesis details the utilization of the diode laser system for ablative decomposition of doped PMMA, with implications for the process of microfabrication used in the propulsion system of nano and pico satellites. The synthesis and characterization of PMMA thin films, doped with dye molecules such as Perylene and Coumarin, alongside the successful integration of silver nanoparticles and iron oxide nanoparticles combined with Perylene molecules for laser ablation, underscore the versatility and potential of laser-based manufacturing techniques. Lastly, the thesis investigates the synthesis and characterization of FAPbBr3 perovskite photodetectors, showcasing their self-powered operation, high sensitivity, and rapid response times under visible laser light illumination. Detailed analysis of their transient photovoltage behavior across various laser power levels and frequencies underscores their potential for efficient and cost-effective photodetection applications. This thesis contributes significantly to the advancement of laser-based technologies, offering insights into fundamental principles and practical implementations across diverse fields, from photonics and nanofabrication to photodetection and beyond.

Η παρούσα διατριβή αρχικά παρουσιάζει μια εκτενή εξερεύνηση της τεχνολογίας των laser και των ποικίλων εφαρμογών της σε διάφορους τομείς, από τη βασική έρευνα έως τις πρακτικές εφαρμογές. Παρέχει μια λεπτομερή εξέταση των laser, συμπεριλαμβανομένης της ιστορικής τους εξέλιξης και των ευρέων εφαρμογών τους όπως η βιομηχανία, η ιατρική και οι τηλεπικοινωνίες. Η διατριβή εξετάζει τα κύρια λειτουργικά στοιχεία των συστημάτων laser και τις διάφορες κατηγορίες αυτών, επισημαίνοντας τις σημαντικότερες παραμέτρους για την προσαρμογή της λειτουργικότητάς τους σε συγκεκριμένες εφαρμογές. Επιπλέον, ερευνά τις τεχνικές άμεσης εγγραφής με χρήση laser (DLW), παρέχοντας εισαγωγικά στοιχεία για αφαιρετικές, προσθετικές και τροποποιητικές διαδικασίες, με έμφαση στη λειτουργία του laser ablation και τις τροποποιήσεις που προκαλούνται από femtosecond laser σε διαφανή υλικά. Επιπρόσθετα παρουσιάζει τη σημασία του ελέγχου της θέσης εστίασης κατά τη διάρκεια των τεχνικών DLW.Εισάγοντας τον όρο της ολοκληρωμένης οπτικής, η διατριβή δίνει έμφαση στην πυριτία (Silica) και στις πλατφόρμες πυριτίας (Silica-on-Silicon) ως κυρίαρχα υλικά για οπτικές λειτουργίες. Περιγράφει τους στόχους του έργου «Ολοκληρωμένα φωτονικά κβαντικά κυκλώματα - Integrated Photonic Quantum Circuits (InPhoQuC)», με στόχο την ανάπτυξη ολοκληρωμένων φωτονικών κβαντικών κυκλωμάτων με ενσωματωμένες πηγές μεμονωμένων φωτονίων, δίνοντας έμφαση στη στροφή από την παραδοσιακή οπτική στην ολοκληρωμένη φωτονική. Μέσω υπολογιστικών προσομοιώσεων και πειραματικών μελετών, προτείνονται καινοτόμες προσεγγίσεις για τη βελτιστοποίηση της ενσωμάτωσης και την αύξηση της απόδοσης σύζευξης των νανοκαλωδίων που εμπεριέχουν κβαντικές τελείες (NWQDs) στα φωτονικά κυκλώματα, διευκολύνοντας έτσι την ανάπτυξη εφαρμογών κβαντικών υπολογιστών.Πειραματικές έρευνες με ένα σύστημα άμεσης εγγραφής με χρήση laser διερευνούν το κατά πόσο γίνεται να επιτευχθούν μικροκατεργασίες σε πυριτίαχρησιμοποιώντας την τεχνολογία ενός femtosecond laser και το σύστημα άμεσης εγγραφής με laser που έχει αναπτυχθεί στο εργαστήριο. Αυτές οι μελέτες είναι σημαντικές για τη βελτιστοποίηση των διαδικασιών κατασκευής, και συγκεκριμένα για την ενσωμάτωση νανοκαλωδίων που εμπεριέχουν κβαντικές τελείες και των μικροσφαιρών σε φωτονικές διατάξεις στις πλατφόρμες πυριτίας. Παράλληλα, η διερεύνηση εναλλακτικών τεχνικών, όπως η υγρή-χημική χάραξη μετά τη διαδικασία έκθεσης, συμπληρώνει την κατανόηση της μικρομηχανικής με femtosecond laser. Η διατριβή επικεντρώνεται επίσης στην ανάπτυξη συσκευών που δημιουργούνται μέσω της ακτινοβολίας με femtosecond laser, συμπεριλαμβανομένων νανοδομημένων υποστρωμάτων πυριτίου για την ενίσχυση της βιοσυμβατότητας σε μελέτες προσκόλλησης καρκινικών κυττάρων. Επιπλέον, οι συγκριτικές μελέτες που έγιναν για την αποτελεσματικότητα διαφόρων laser στην τροποποίηση της επιφάνειας των πολυμερικών ενδοφακών (IOLs) με σκοπό την χρήση τους για εξατομικευμένες λύσεις στην διόρθωση της όρασης ενισχύουν περαιτέρω την κατανόηση των αλληλεπιδράσεων laser-υλικού. Τέλος, εξερευνά τις δυνατότητες της ακτινοβολίας με femtosecond laser για την επεξεργασία λεπτών μεμβρανών από πολυμερικό υλικό (PMMA) και εμπλουτισμένο με νανοσωματίδια αργύρου PMMA. Περιγράφοντας λεπτομερώς την πειραματική διάταξη που χρησιμοποιεί ένα συνεχoύς λειτουργίας διοδικό laser για την άμεση εγγραφή με χρήση laser, η διατριβή τονίζει τη σημασία της ακριβούς τοποθέτησης και ελέγχου του σημείου εστίασης της δέσμης laser κατά την ακτινοβόληση. Με αυτό τον σκοπό προτείνει ένα σύστημα αυτόματης εστίασης για τον έλεγχο της διαδικασίας εγγραφής με το διοδικό λέιζερ. Επίσης, παρουσιάζει μια εκτεταμένη μελέτη για την προσαρμογή μιας μονάδας laser διόδου και της τροποποίησης των χωρικών χαρακτηριστικών της δέσμης αυτής με σκοπό τη βελτιωμένη απόδοση του συστήματος άμεσης εγγραφής.Συνεχίζοντας την εξερεύνηση, η διατριβή αναλύει τη χρήση του συστήματος διοδικού laser για την αφαιρετική διάσπαση εμπλουτισμένου PMMA, με προεκτάσεις στη διαδικασία μικροκατασκευής που χρησιμοποιείται στο σύστημα προώθησης nano και pico δορυφόρων. Η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός λεπτών μεμβρανών PMMA, εμποτισμένων με μόρια χρωστικών όπως το Περυλένιο και η Κουμαρίνη, καθώς και η επιτυχής ενσωμάτωση νανοσωματιδίων ασημιού και νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου σε συνδυασμό με μόρια περυλενίου για την επιτυχία της αφαιρετικής διάσπασης με laser, δίνουν έμφαση στην ευελιξία και στη δυνατότητα των τεχνικών κατασκευής που βασίζονται σε laser. Τέλος, η διατριβή διερευνά τη σύνθεση και τον χαρακτηρισμό φωτοανιχνευτών περοβσκίτη (FAPbBr3), παρουσιάζοντας την αυτοτροφοδοσία τους, την υψηλή ευαισθησία και τους γρήγορους χρόνους απόκρισης σε συνθήκες έκθεσής τους σε laser ορατού φωτός. Η λεπτομερής ανάλυση της μεταβατικής φωτοτάσης τους σε διάφορα επίπεδα ισχύος και συχνότητες laser υπογραμμίζει τη δυνατότητά τους για αποτελεσματικές και οικονομικές εφαρμογές στην ανίχνευση φωτός. Συνολικά, αυτή η διατριβή συμβάλλει σημαντικά στην πρόοδο των τεχνολογιών που βασίζονται σε laser, προσφέροντας γνώσεις για τις θεμελιώδεις αρχές και πρακτικές εφαρμογές σε διάφορα πεδία, από τη φωτονική και τη νανοκατασκευή μέχρι την ανίχνευση φωτός και όχι μόνο.