Advanced microfluidic platforms for soft-x integrated photonics

HHG in gases is a cornerstone of ultrafast and attosecond science, enabling the generation of coherent XUV and soft X-ray radiation for spectroscopy, microscopy, imaging, and interferometric applications. Despite its broad impact, HHG remains constrained by intrinsically low conversion efficiency and by the technological complexity of experimental implementations, which typically require high-power femtosecond laser systems, vacuum environments, and precise gas handling. These limitations motivate the development of more stable, compact, and controllable HHG platforms that can simultaneously support multiple applications, such as polarisation-sensitive in-situ HHG spectroscopy and EUV lithography. In this thesis, HHG is investigated using fused-silica microfluidic hollow-core waveguides (70–130 µm diameters) fabricated by femtosecond-laser micromachining. Compared to conventional gas-jet geometries, this approach enables extended interaction lengths (8 mm) and precise control of the gas density within a mechanically robust and vacuum-compatible platform. Using 800 nm femtosecond driving pulses, harmonic generation up to photon energies of ~130 eV (helium) is demonstrated, delivering photon fluxes of 10⁹–10¹² photons/s. Systematic studies of gas species, including helium, neon, argon, and krypton, as well as pressure and waveguide diameter, demonstrate the ability to tailor the harmonic spectrum, optimize conversion efficiency, and control the HHG cutoff. Furthermore, the use of mid-IR driving pulses at 1.5 µm from an OPA source enables a substantial extension of the HHG cutoff towards higher photon energies in argon and helium, reaching the soft X-ray regime in helium. An increased spectral range and higher harmonic density are observed; however, this comes at the expense of reduced single-atom efficiency. A preliminary experimental campaign using a high-repetition-rate OPCPA source at ~2 µm, operating up to 100 kHz, is also reported. Microfluidic devices with reduced diameters in IR-grade silica were tested at Class-5, demonstrating stable thermal operation under high average power, robust performance up to 10 bar, and low-order harmonic generation at both 10 and 100 kHz. Although the results were limited by the non-ideal beam quality of the OPCPA source prior to final optimization, these experiments confirm the compatibility of microfluidic HHG with mid-IR drivers and outline a clear path toward soft X-ray generation through improved beam quality and optimized phase matching using smaller waveguide diameters and higher gas pressures. Overall, these results establish microfluidic waveguides as a promising lab-on-a-chip architecture for ultrafast EUV/XUV and soft X-ray light sources. Building on this platform, two complementary interferometric concepts are implemented. An integrated EUV spatial interferometer is realized using a microfabricated Y-splitter embedding two spatially separated HHG sources (300–430 µm separation), while a table-top, common-path temporal interferometer based on the TWINS birefringent scheme is employed to generate phase-locked infrared pulse replicas with attosecond delay control. These tools enable phase-stable HHG delay scans and provide the foundation for polarisation-sensitive in-situ spectroscopy. In particular, controlled-polarisation in-situ HHG spectroscopy using orthogonally polarised, phase-locked 800 nm pulse replicas benchmarked on the argon 3p CM reveals a persistent spectral suppression, modulation broadening, and dispersive phase anomaly corresponding to an effective group-delay excursion of 200–250 as. Finally, the microfluidic approach is extended to integrated EUV beam filtering chips through a geometry-based infrared-rejection filter (~30% XUV transmission efficiency) and to a proof-of-principle EUV lithography demonstration, including interference-pattern imprinting using an integrated EUV interferometer. Overall, this work establishes microfluidic HHG devices as a versatile and stable platform for coherent EUV/XUV photonics and phase-sensitive ultrafast applications.

La generazione di armoniche di alto ordine (High-Order Harmonic Generation, HHG) nei gas rappresenta una pietra miliare della scienza ultraveloce e degli attosecondi, consentendo la produzione di radiazione coerente nell’estremo ultravioletto (XUV) e nei raggi X soffici per applicazioni di spettroscopia, microscopia, imaging e interferometria. Nonostante il suo ampio impatto, la HHG rimane limitata da un’efficienza di conversione intrinsecamente bassa e dalla complessità tecnologica delle implementazioni sperimentali, che tipicamente richiedono sistemi laser a femtosecondi ad alta potenza, ambienti in vuoto e una gestione precisa dei gas. Queste limitazioni motivano lo sviluppo di piattaforme HHG più stabili, compatte e controllabili, in grado di supportare simultaneamente molteplici applicazioni, come la spettroscopia HHG in situ sensibile alla polarizzazione e la litografia EUV. In questa tesi, la HHG viene studiata utilizzando guide d’onda microfluidiche a nucleo cavo in silice fusa (70–130 µm di diametro), fabbricate mediante microlavorazione laser a femtosecondi. Rispetto alle geometrie convenzionali a getto di gas, questo approccio consente lunghezze di interazione estese (8 mm) e un controllo preciso della densità del gas all’interno di una piattaforma meccanicamente robusta e compatibile con il vuoto. Utilizzando impulsi di pompaggio femtosecondi a 800 nm, viene dimostrata la generazione di armoniche fino a energie fotoniche di ~130 eV (in elio), con flussi di fotoni pari a 10⁹–10¹² fotoni/s. Studi sistematici sulle specie gassose, tra cui elio, neon, argon e krypton, nonché sulla pressione e sul diametro della guida d’onda, dimostrano la possibilità di modulare lo spettro armonico, ottimizzare l’efficienza di conversione e controllare il cutoff della HHG. Inoltre, l’impiego di impulsi di guida nel medio-IR a 1.5 µm, provenienti da una sorgente OPA, consente un’estensione significativa del cutoff della HHG verso energie fotoniche più elevate in argon ed elio, raggiungendo in quest’ultimo il regime dei raggi X soffici. Si osservano un intervallo spettrale più ampio e una maggiore densità armonica; tuttavia, ciò avviene a scapito di una ridotta efficienza del singolo atomo. Viene inoltre riportata una campagna sperimentale preliminare che utilizza una sorgente OPCPA ad alta frequenza di ripetizione a ~2 µm, operante fino a 100 kHz. Dispositivi microfluidici con diametri ridotti in silice di grado IR sono stati testati presso Class-5, dimostrando stabilità termica in condizioni di elevata potenza media, funzionamento robusto fino a 10 bar e generazione di armoniche di basso ordine sia a 10 sia a 100 kHz. Sebbene i risultati siano stati limitati dalla qualità non ottimale del fascio della sorgente OPCPA prima dell’ottimizzazione finale, questi esperimenti confermano la compatibilità della HHG microfluidica con driver nel medio-IR e delineano un chiaro percorso verso la generazione di raggi X soffici attraverso il miglioramento della qualità del fascio e l’ottimizzazione del phase matching mediante guide d’onda di diametro minore e pressioni di gas più elevate. Nel complesso, questi risultati confermano le guide d’onda microfluidiche come una promettente architettura lab-on-a-chip per sorgenti di luce ultraveloci EUV/XUV e a raggi X soffici. Sulla base di questa piattaforma, vengono implementati due concetti interferometrici complementari. Un interferometro spaziale EUV integrato è realizzato mediante uno sdoppiatore a Y microfabbricato che incorpora due sorgenti HHG spazialmente separate (300–430 µm di separazione), mentre un interferometro temporale da banco, a cammino comune, basato sullo schema birefringente TWINS, viene utilizzato per generare repliche di impulsi infrarossi a fase bloccata con controllo del ritardo su scala ad attosecondi. Questi strumenti consentono scansioni di ritardo HHG stabili in fase e forniscono le basi per la spettroscopia in situ sensibile alla polarizzazione. In particolare, la spettroscopia HHG in situ a polarizzazione controllata, realizzata mediante repliche di impulsi a 800 nm ortogonalmente polarizzate e a fase bloccata, testata sul minimo di Cooper 3p dell’argon, rivela una persistente soppressione spettrale, un allargamento delle modulazioni e un’anomalia di fase dispersiva corrispondente a un’escursione effettiva del ritardo di gruppo di 200–250 as. Infine, l’approccio microfluidico viene esteso a chip integrati per il filtraggio di fasci EUV mediante un filtro di reiezione dell’infrarosso basato sulla geometria (efficienza di trasmissione XUV di ~30%) e a una dimostrazione proof-of-principle di litografia EUV, inclusa l’impressione di pattern interferenziali utilizzando un interferometro EUV integrato. Nel complesso, questo lavoro stabilisce i dispositivi HHG microfluidici come una piattaforma versatile e stabile per la fotonica coerente EUV/XUV e per applicazioni ultrarapide sensibili alla fase.