Procesado con láser ultrarrápido de materiales transparentes para aplicaciones fotónicas de detección e imagen
- Autores: Pablo Roldán Varona
- Directores de la Tesis: José Miguel López Higuera (dir. tes.), Luis Rodríguez Cobo (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2023
- Idioma: español
- Títulos paralelos:
- Ultrafast laser processing of transparent materials for photonic sensing and imaging applications
- Tribunal Calificador de la Tesis: Cesar Jauregui Misas (presid.), Adolfo Cobo García (secret.), Helen Parker (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías de la Información y Comunicaciones en Redes Móviles / Mobile Network Information and Communication Technologies por la Universidad de A Coruña; la Universidad de Cantabria; la Universidad de Oviedo; la Universidad de Zaragoza y la Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea
- Materias:
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- Resumen
- español
El procesado láser ultrarrápido de materiales transparentes ha sido una fuerza transformadora, impulsando una considerable innovación en diversos campos como la fotónica, las telecomunicaciones, la microfluídica, la medicina, o la bioquímica, entre muchos otros. La base de esta tecnología radica en la interacción entre pulsos láser ultrarrápidos y la materia, induciendo modificaciones estructurales internas precisas en los materiales transparentes sin ningún impacto considerable en los alrededores del volumen focal. Esta capacidad ha abierto nuevos horizontes, permitiendo la creación de microestructuras tridimensionales complejas, esenciales para el desarrollo de nuevos dispositivos. Cuando se utiliza en conjunto con el revelado químico, es posible extraer estas estructuras internas, ampliando así el alcance de las posibles aplicaciones. Esta tesis se sumerge en el campo del procesado con láseres de femtosegundo de materiales transparentes, con especial énfasis en la sílice fundida, pivotando sobre la idea de explotar su potencial para avanzar en el dominio de los sensores de fibra óptica y los dispositivos optofluídicos. La aplicación de esta tecnología promete transformar el panorama de la fotónica, proporcionando nuevas metodologías y vías para la detección, la imagen y la fabricación de dispositivos, ofreciendo avances que podrían impactar en un amplio espectro de disciplinas científicas.
El segmento inicial de la tesis establece una base sólida, elucidando los conceptos y técnicas cruciales para los capítulos posteriores. Comienza enfatizando sobre la importancia del campo de investigación, la motivación y los objetivos. Posteriormente, se adentra en los principios fundamentales de las interacciones láser-materia, un soporte crucial para el contenido discutido en los siguientes capítulos. La discusión luego pivota hacia la microfluídica, examinando las implicaciones de la miniaturización del dispositivo a escalas de um, mientras también aborda los materiales y métodos de fabricación más relevantes. Por último, se exploran las diferentes configuraciones experimentales utilizadas en la fabricación de dispositivos optofluídicos, junto con una descripción general de las diversas técnicas de caracterización empleadas.
Tras establecer los fundamentos, la tesis se adentra en las contribuciones realizadas. Estas se bifurcan principalmente en dos categorías: aquellas que implicaron el uso de láseres de femtosegundo para la inscripción directa en fibras ópticas para el desarrollo de sensores; y aquellas que emplearon una combinación de inscripción con láseres ultrarrápidos y revelado químico. Esta integración permite la extracción de dispositivos de sílice hechos a medida adecuados tanto para aplicaciones de detección como de imagen.
La precisión y eficiencia del procesado láser en la fabricación de sensores ópticos puede verse significativamente afectada por las aberraciones ópticas. Estas aberraciones pueden degradar el enfoque de los pulsos láser de femtosegundo, afectando la calidad del dispositivo fabricado. Sin embargo, se han empleado métodos como la técnica slit beam shaping para controlar estas aberraciones y dar forma al perfil de índice de refracción de las estructuras ópticas, mejorando así el rendimiento de las redes de Bragg en fibra y de las guías de ondas de cubierta en fibra. Esta técnica ha permitido la creación de sensores de fibra óptica avanzados. Las fibras ópticas, reconocidas por su alta sensibilidad, tiempos de respuesta rápidos e inmunidad a las interferencias electromagnéticas, se han convertido en herramientas vitales en las aplicaciones de detección. Se han utilizado diferentes tipos de fibras para crear sensores. Las fibras de sílice estándar de salto de índice han sido una elección común. La investigación realizada con este tipo de fibras ha contribuido significativamente al desarrollo de sensores multiparamétricos utilizando interferómetros Mach-Zehnder en combinación con redes de Bragg en fibra y guías de ondas, así como sensores lab-in-fibre integrados en agujas quirúrgicas para aplicaciones biomédicas. En contraste con las fibras estándar, las fibras especiales poseen propiedades únicas, lo que las hace ideales para la elaboración de ciertos tipos de sensores. Ejemplos incluyen fibras cónicas, fibras mantenedoras de polarización, fibras de núcleo hueco y fibras que utilizan materiales no estándar como fluoruros o fosfatos. Estas fibras especiales han facilitado el desarrollo de sensores únicos, expandiendo las posibilidades dentro del ámbito de la detección con fibras ópticas. Las contribuciones han dado lugar al desarrollo de sensores basados en fibras de núcleo hueco para la detección de niveles de líquido y fibras ópticas de polímero perfluorinado para la fabricación de refractómetros de soluciones acuosas.
En relación con la segunda parte de la tesis, el ataque químico asistido por láser ultrarrápido en sílice permite altas tasas de revelado químico, que generalmente dependen de la polarización de la luz. Sin embargo, este proceso de grabado ha enfrentado desafíos para lograr el control dinámico de la polarización para superficies que no son planas y estructuras 3D. Se ha identificado un nuevo régimen de inscripción con láser de femtosegundo donde las tasas de ataque químico son independientes de la polarización de la luz. En este régimen, se emplean inscripciones de pocos pulsos, ya que exhiben un bajo grado de anisotropía en comparación con un mayor número de pulsos, lo que permite la insensibilidad a la polarización, discutiendo los posibles mecanismos detrás de este hallazgo. En consecuencia, se pueden fabricar estructuras 3D complejas, caracterizadas por planos con ángulos desafiantes, sin controlar dinámicamente la polarización.
Como resultado de una primera estancia en el Instituto de Fotónica y Ciencias Cuánticas (Edimburgo, Reino Unido), se han realizado avances en el uso de la fabricación láser ultrarrápida en el campo de la endomicroscopía de fluorescencia en tiempo real. Se ha desarrollado una plataforma de fibra endoscópica para la microscopía de iluminación de plano selectivo, que cuenta con una estructura de sílice fabricada con láser ultrarrápido e integrada en una fibra de imagen de plástico, así como un microscopio de epifluorescencia. Esta plataforma supera los problemas tradicionales de la autofluorescencia generada por fibras de polímero, demostrando una mejora del contraste de la imagen y la reducción de aquellos elementos que se encuentran fuera de foco, todo ello evaluado en pulmones humanos ex vivo.
En el campo de la detección molecular, las ondas de superficie de Bloch han sido reconocidas por su potencial, particularmente en la superficie de un cristal fotónico unidimensional. Las ondas de superficie de Bloch, que son sintonizables a lo largo del rango visible-UV, ofrecen ventajas únicas sobre los polaritones de plasmón de superficie. Un chip fotónico optofluídico, fabricado durante la estancia realizada en el Instituto de Fotónica y Nanotecnología (Milán, Italia), incorpora un cristal fotónico 1D y mejora la superposición de las relaciones de dispersión en un amplio rango espectral. Este desarrollo abre nuevas oportunidades en la detección molecular, ofreciendo la capacidad de investigar estados electrónicos resonantes de las moléculas.
En conclusión, esta tesis representa una contribución significativa al campo del procesado láser ultrarrápido de materiales transparentes y sus aplicaciones de ingeniería. A pesar del progreso realizado, todavía hay un amplio horizonte para la exploración en el campo. Los estudios futuros podrán ahondar más en la comprensión del proceso físico que permite altas tasas de ataque químico independientes de la polarización, proporcionando una base científica más concreta para este descubrimiento. Además, expandir el rango de materiales adecuados para el proceso de inscripción láser ultrarrápido y revelado químico permitirá descubrir nuevas aplicaciones y dispositivos, empujando los límites en este campo. Los dispositivos y técnicas de vanguardia presentados aquí allanan el camino hacia un futuro donde la fusión de la fotónica y la fluídica puede satisfacer eficazmente las necesidades de detección y manipulación en escala micrométrica.
Los esfuerzos de investigación y desarrollo que culminan en esta tesis han recibido una validación significativa de la comunidad científica global. Antes de compartir nuestros hallazgos en foros y revistas internacionales, se realizó un análisis riguroso de sus posibles aplicaciones industriales, tomando las medidas necesarias para proteger los derechos de propiedad intelectual. Como resultado de esta extensa investigación, se ha presentado una solicitud de patente en el Reino Unido, se han publicado 24 artículos en revistas científicas y se han realizado más de 35 contribuciones a conferencias.
- English
Ultrafast laser processing of transparent materials has revolutionised various fields such as photonics, telecommunications, microfluidics, medicine, and biochemistry. This technology employs ultrafast laser pulses to modify transparent materials with high precision, opening new possibilities in the creation of complex three-dimensional microstructures. The thesis focuses on femtosecond laser processing in fused silica, with an emphasis on advancing optical fibre sensors and optofluidic devices. The contributions are divided into two main categories: direct inscriptions on optical fibres to develop sensors and the combination of laser inscription and chemical etching to create complex 3D structures. Among the most notable results, it is worth highlighting the identification of a new regime of femtosecond laser inscription where chemical etching rates are independent of the laser beam polarisation during inscription. Similarly, an endoscopic fibre platform has been developed for selective plane illumination microscopy in the human lung. This platform features a silica structure fabricated with ultrafast laser and integrated into a plastic imaging fibre. In conclusion, the thesis represents a significant contribution to the field of ultrafast laser processing of transparent materials and its applications. While there are opportunities for future research in this area, the advancements presented here pave the way for a promising future in merging photonics and fluidics for µm-scale detection and manipulation.
- español
