Optofluidic microlasers based on femtosecond micromachining for LAB-ON-CHIP technology

The lab-on-chip technology is growing very quickly because of the wide range applications in the biomedical area and sensing for environment control and security. In this frame, it is a challenge to realize a complete optical lab in a single chip. This chip should contain the optical source (laser), the optical control elements (waveguides, lenses, polarizers, etc.), the sample analysis channels and the light detector. The advantages of developing of such technology will be to get high sensitivity, use of low testing volumes, low cost and device portability. In order to get these results, it is important to develop a suitable microfluidic laser that acts as a light source in this optical lab in a chip. This work has been carried out in collaboration with the group led by Dott. Luigino Criante at the Center for Nano Science and Technology at Italian Institute of Technology (CNEST-IIT). We have designed different cavities in collaboration with the IIT group where devices were fabricated. All the measurements and tests of the characteristics of the devices were performed at the SIMAU Department of the Polytechnic University of Marche. In this thesis work has been reported the realization and characterization of different optofluidic microlasers based on Fabry-Perot and hemispherical cavity fabricated by exploiting two fabrication techniques: the femtosecond laser micromachining and the inkjet printing technology. In this way a standard Fabry-Perot cavity has been integrated into an optofluidic chip. The microlasers were tested with different laser dyes such as Rhodamine 6G, Pyrromethene and DCM. The best result was an emission bandwidth below ~0.6nm and a quality factor Q~10^3 measured when using Rhodamine 6G dissolved in ethanol at concentration of 5·mMol as active medium. Laser emission was detected at a threshold energy density as low as 1.8 μJ/mm^2 about one order of magnitude lower than state-of-the-art optofluidic lasers. These performances and mechanical and chemical robustness of these devices fully embedded in glass make them promising for future development in optofluidic chips to be exploited in biosensing applications.

La tecnologia lab-on-chip si sta sviluppando molto velocemente dati i numerosi ambiti di applicazioni nell’area biomedica, della sensoristica, per il controllo ambientale e della sicurezza. Da questo punto di vista, è una scommessa realizzare un laboratorio ottico all’interno di un unico chip. In questi chip dovrebbero essere presenti: la sorgente ottica (laser), gli elementi di controllo (guide d’onda, lenti, polarizzatori, etc.), il canale per l’analisi del campione e il sensore ottico. I vantaggi nello sviluppare questa tecnologia sono legati all’ottenimento di elevata sensibilità, la riduzione dei volumi da analizzare, costi ridotti e la trasportabilità del dispositivo. Al fine di ottenere questi risultati, è importante sviluppare un laser microfluidico appropriato che funge da sorgente luminosa all’interno di questo laboratorio ottico integrato in un unico chip. Questo lavoro è stato compiuto in collaborazione con il gruppo guidato dal Dott. Luigino Criante presso il Centro per le NanoScienze e Tecnologia dell’Istituto Italiano di Tecnologia (CNST-IIT). Durante questo lavoro sono state progettate differenti cavità in collaborazione con il gruppo dell’IIT dove tali dispositivi sono stati realizzati. Tutte le misure e i test delle caratteristiche dei dispositivi sono state effettuate presso il dipartimento di Scienze e Ingegneria della Materia, dell'Ambiente ed Urbanistica (SIMAU) dell’Università Politecnica delle Marche. In questa tesi vengono descritti i processi per la realizzazione e la caratterizzazione di diversi microlaser optofluidici basati su cavità Fabry-Perot e cavità emisferica realizzate attraverso due tecniche di fabbricazione: la microlavorazione con laser a femtosecondi e la tecnologia di stampa inkjet. Con queste tecnologie una cavità standard di tipo Fabry-Perot è stata integrata all’interno di un chip optofluidico. I microlaser sono stati testati con differenti coloranti laser come la Rodamina 6G, il Pirrometene e il DCM. I migliori risultati sono stati una emissione di linea inferiore a ~0.6nm e un fattore di qualità Q~10^3 ottenuto utilizzando come mezzo attivo una miscela di Rodamina 6G disciolta in alcol etilico ad una concentrazione di 5·mMol. L’emissione laser è stata rivelata ad una densità di energia di soglia pari a 1.8 μJ/mm^2, circa un ordine di grandezza inferiore allo stato dell’arte dei laser optofluidici. Tali prestazioni, unite alla stabilità meccanica e alla resistenza chimica di questi dispositivi realizzati completamente all’interno di un supporto in vetro, li rende dei promettenti candidati nello sviluppo di futuri chip microfluidici in applicazioni biosensoristiche.