Integrated glass devices for the generation and manipulation of extreme ultraviolet radiation

Femtosecond Laser Irradiation followed by Chemical Etching (FLICE) is a powerful advanced manufacturing technique that has enabled, among other applications, a whole new thread in strong laser field physics. With FLICE, it is possible to realize hollow, three-dimensional structures in bulk fused silica, with scales ranging from a few tens of microns to several millimeters or even larger. When filled with a gaseous medium, these hollow structures become an ideal platform for hosting the interaction between an intense, ultrashort pulsed laser beam and the gas, leading to electromagnetic emission at shorter wavelengths. Specifically, the phenomenon of High-order Harmonic Generation (HHG) can be exploited to develop a compact, table-top source of Extreme Ultraviolet (EUV) radiation. In the work reported in this thesis, we investigated how to optimize the design and implementation of these devices to increase the efficiency of HHG, which, being a highly nonlinear phenomenon, is intrinsically very low. This was achieved by considering the gas density distribution and the propagation of both the fundamental and the emitted laser fields in the integrated platform. Particularly significant was the exploration of fabrication conditions for waveguides in the EUV, which consist of nanoscale hollow channels that utilize reflection at the vacuum-glass interface to achieve low-loss propagation of this easily absorbed radiation. This research led to the refinement of the FLICE technique itself, surpassing every limit hitherto achieved in terms of minuteness, creating hollow channels in glass with diameters of a few hundred nanometers and aspect ratios up to 104. Overall, we have demonstrated the feasibility of an approach that promises, if not to revolutionize the EUV sources scene, at least to offer a viable alternative for the compact and efficient production of this range of wavelengths that are increasingly attracting attention from both scientific and industrial perspectives.

L'irradiazione laser a femtosecondi seguita da incisione chimica (FLICE) è una potente tecnica di produzione avanzata che ha permesso, tra le altre applicazioni, un'intera nuova branca nella fisica dei campi laser intensi. Con FLICE, è possibile realizzare strutture cave tridimensionali in silice fusa, con dimensioni che vanno da poche decine di micron a diversi millimetri o anche più grandi. Quando riempite con un mezzo gassoso, queste strutture cave diventano una piattaforma ideale per ospitare l'interazione tra un raggio laser pulsato intenso e ultrabreve e il gas, portando all'emissione elettromagnetica di lunghezze d'onda più corte. In particolare, il fenomeno della generazione di armoniche di ordine superiore (HHG) può essere sfruttato per sviluppare una sorgente compatta e da tavolo di radiazioni estreme ultraviolette (EUV). Nel lavoro riportato in questa tesi, abbiamo investigato come ottimizzare il design e l'implementazione di questi dispositivi per aumentare l'efficienza dell'HHG, che, essendo un fenomeno altamente non lineare, è intrinsecamente molto bassa. Questo è stato ottenuto considerando la distribuzione della densità del gas e la propagazione sia dei campi laser fondamentali che di quelli emessi nella piattaforma integrata. Particolarmente significativa è stata l'esplorazione delle condizioni di fabbricazione per le guide d'onda nell'EUV, che consistono in canali cavi su scala nanometrica che utilizzano la riflessione all'interfaccia vuoto-vetro per ottenere una propagazione a bassa perdita di questa radiazione facilmente assorbibile. Questa ricerca ha portato al perfezionamento della tecnica FLICE stessa, superando ogni limite finora raggiunto in termini di minuzia, creando canali cavi nel vetro con diametri di poche centinaia di nanometri e rapporti di aspetto fino a 10^4. In generale, abbiamo dimostrato la fattibilità di un approccio che promette, se non di rivoluzionare il panorama delle sorgenti EUV, almeno di offrire un'alternativa praticabile per la produzione compatta ed efficiente di questa gamma di lunghezze d'onda che stanno attirando sempre più attenzione sia dalla prospettiva scientifica che industriale.