Desing and simulation of photonic structures
Example of simulation of a Gausian beam travelling for a sub-micro-hole of a biophotonic sensing cell
Micro-fabrication of Photonic and biophotonic devices
The CLUPM facilities include laser micro-nano manufacturing workstations able to work in focal point and mask projection in clean room environment as well as thin-film fabrication. The fabrication of photonic structures by means of laser micro-fabrication based techniques offers advantages such as cost reduction, capability of processing many materials and complex geometries. Among the variety of materials, polymeric materials are remarkable when are processed by UV lasers in the ns, ps or fs regime for direct writing ablation processes.
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Examples of microfabrication: A metal mask for proejction photolithography. A latice of micro-holes made in polymeric material.
Particulaly in the micro-nano fabricaion field the Laser Centre has developed optical lithography deep UV (DUV) by means of mask projection and excimer laser.
CLUPM includes the preparation and deposition of thin films material by spin-coating for laser processing. The CLUPM group is specialized in the preparation of thin layers of polymeric materials for use in fluidic, photonic and biophotonic devices. The polymers used are materials such as PDMS Sylgard (Dow Corning) and a photoresist SU8 (Microchem.)
Optical layout and process of excimer laser optical lithography.
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Example of Thin film SU8 by sping coating procesing.
The spin processor is used to distribute material in a thin uniform layer by spinning a substrate. It obtains layers with good homogeneity and high reproducibility because the technique is controlled by parameters that have influence in these processes such as substrate cleaning (RCA), the conditions of spinner (speed and time of processing), among others. One of the applications is to use the SU8 layer for photolithography processing photonic structures.
One of laser applications developed is the laser assited laser cleaving of photonic devices. This application is particularly interesting to avoid the polishing process of photonic chips, which is normally a time consuming and expensive.
Example of laser assited cleaving for photonic chips
Optical characterization of photonic and biophotonic devices
The optical characterization in macro/micro domains is available for transmission, absorption, reflection and emission for devices, structures and materials in visible and infrared spectral range at CLUPM. Furthermore, inspection and characterization tools such as Optical, confocal and SEM microscopy as well as micro-analysis are accessible. For micro-fluidics developments and characterization there are systems for delivering nano-flows available.
Optical charaterization lab under cleam enviroment conditions
Confocal and interferometric optical Microsocopy
Example of liquid infiltration of a sub-micro channel and monitorization by confocal microscopy
Diseño y Simulación de Estructuras Fotónicas y Fluídicas
Se cuenta con diltada experiencia en simulación tanto de materiales como de estructuras fotónicas y fluídicas mediante paquetes avanzados de simulación (RSOFT, ABACUS) y código propio.
Ejemplo de simulación de la propagacion de luz de un haz Gausiano en una celda biofótonica formada por una red de agujeros sub-micrométricos
Microfabricación de Dispositivos Fotónicos y Biofotónicos
La fabricación de dispositivos fotónicos utilizando técnicas de microfabricación láser presenta importantes ventajas reduciendo el número de pasos del proceso de fabricación y la reducción del coste final del dispositivo. Otras ventajas están relacionadas con la versatilidad a la hora de fabricar geometrías complejas, y la posibilidad de utilizar una gran variedad de materiales.
Entre los materiales posibles, destacan los materiales poliméricos, que por sus propiedades ópticas permiten obtener acabados de calidad al usar láseres emitiendo en el rango ultravioleta. Además, determinadas resinas pueden ser fotopolimerizadas usando láseres de este tipo, de forma análoga al uso de sistemas de litografía UV y de haz de electrones. El centro laser cuenta con capacidad para realizar estructuras tanto por ablación o eliminación directa de material y fotolitografía.
El Centro Laser está especializado en procesos de micro y nano fabricación para varios sectores. Se dispone de estaciones de trabajo instalado en ambientes limpios equipadas con sistemas multieje de resolucion micrométrica y con fuentes láser para micro-nano procesado por ablación laser tanto en punto focal y proyección por máscara.
En la ablación directa, la energía irradiada sobre el material se emplea en romper los enlaces del polímero y vaporizar por tanto el material. Dependiendo de factores como la longitud de onda, tipo del haz, duración del pulso y frecuencia de repetición. De forma general, cada material tiene un rango de longitudes de onda para el cuál la ablación se produce de forma óptima, en la que la absorción óptica es elevada, y hay pocos efectos térmicos a considerar. De igual forma, a menor tiempo de interacción (es preferible en el rango de picosegundos/femtosegundos), menor es la transmisión de calor producida en los alrededores de la zona irradiada y por tanto mejor es el acabado.
El Centro Láser cuenta con una gran variededad de estaciones de trabajo con diversos tipos de laseres. Por ejemplo se dispone de láseres de excímero, cuyo rango de emisión suele estar entre 150 y 300 nm, y láseres de ns y ps de estado sólido en con generación de armónicos (por ejemplo, láser de Vanadato con frecuencia triplicada, dónde la emisión se produce a 355 nm).
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Ejemplo de fabricación de una mascara para proyección litográfica (derecha) y de una rede de agujeros micrométricos (izquierda)
Particularmente en el campo de micro-nano fabricación el centro laser ha desarrollado litografía óptica DUV (Deep UV) por proyección de máscara utilizando láser de excímero KrF a 248 nm, consiguiéndose resoluciones ~ 1 µm. Adicionalmente el Centro Láser de la UPM esta especializado en la preparación de laminas delgdas de materiales de base polimérica para su uso en dispositivos fotónicos y biofotónicos. Ejmplos son PDMS Sylgad (DoW Corning) y Fotoresina SU8 (Microchem). El proceso de deposito de láminas delgadas se realiza mediante procesado por espinner para crear laminas delgadas uniformes.
Esquema de micro-fabricación por litografía láser DUV
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Ejemplo de depósito de una lámina delgada de base polimérica por espiner
Una de las apliaciones que el centro láser ha desarrollado es el clivado selectivo de dispositivos fotónicos. Los diseños de chips fotonicos exigen en muchas ocasiones el acceso a las guías de onda de dicho chip. Una vez fabricado el dispostivo se hace necesario un proceso de corte y pulido que es costoso y demanda tiempo. Una alternativa es la generación de una grieta generada por láser para provocar una fractura y un clivado selectivo y poder acceder a las guías de onda sin intervención manual.
Ejemplo de clivado selectivo de chips fotónicos
Caracterización Óptica de Estructuras y Dispositivos Fotónicos y Biofotónicos
El Centro Láser dispone de varios laboratorios de caracterización óptica que permite realizar espectrometría de alta resolución visible e infrarrojo (transmisión, reflexión, absorción, emisión) para macro y micro dominios. Además se cuenta con microscopia óptica, confocal, SEM y microanálisis. En fluidica se cuenta con sistemas de dispensación y control de flujo nanofluídicos.
Laboratorio de caracterización óptica en ambiente controlado
Laboratorio equipado conm microscopia confocal e interferometrica
Ejemplo de control de infiltracion de analitos mediante microscopía confocal
Source: http://www.upmlaser.upm.es/index.php?option=com_content&view=article&id=57:micronanobio&catid=34:investigaciongeneral&lang=en
