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Tesis:

Design and Development of Two-Photon Polymerization System for Photonics Micro/Nanostructure Fabrication

  • Autor: GANAZHAPA JIMÉNEZ, Byron Oswaldo

  • Título: Design and Development of Two-Photon Polymerization System for Photonics Micro/Nanostructure Fabrication

  • Fecha: 2025

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION

  • Departamentos: TECNOLOGIA FOTONICA Y BIOINGENIERIA

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/86663/

  • Director/a 1º: QUINTANA ARREGUI, Xabier
  • Director/a 2º: CAÑO GARCÍA, Manuel

  • Resumen: This Thesis is focused on the design, manufacturing, test, calibration, and optimization of a two-photon polymerization (2PP) system for micro-fabrication of polymeric structures. The work has been carried out as a collaboration between the company Lasing S.A. and the Grupo de Fotónica Aplicada (GFA) of the Centro de Materiales y Dispositivos Avanzados para Tecnologías de la Información y Comunicaciones (CEMDATIC) at the Technical University of Madrid (UPM). It has been funded by the Comunidad de Madrid under an industrial PhD program. In the initial phase, the system was designed and assembled at the company Lasing S.A., and subsequently installed in the cleanroom of the GFA, resulting in a fully operational system for the polymerization of two- and three-dimensional (2D, 3D) microstructures based on commercial photoresists. Subsequently, the 2PP system was optimized to characterize the voxel in commercially available negative-tone and positive-tone photoresists. This work a crucial aspect for achieving maximum resolution during direct laser writing (DLW) processes was performed in the GFA cleanroom. The work provides a DLW analysis that correlates printing parameters (scanning speed and laser beam power control) with the lateral and axial voxel sizes. Once the system was optimized, 2D polymeric microstructures were fabricated. This involved controlling the voxel and the focus on ultrathin polymer surfaces to obtain repeatable patterns consisting of periodic microgrooves or microlines with 0.5 m spacing for liquid crystal (LC) alignment. These arbitrary patterns enabled the generation of polarizers with high-quality alignment in SU-8 and S1805 photoresists. Finally, 3D polymeric microstructures were fabricated. In this case, the hatching technique was applied with an optimized voxel to fill the printed microstructures using both layer-by-layer and true 3D printing methods. Additionally, complex micro-scaffolds with resolution of about 0.5 m were fabricated in mr-DWL photoresist. The fully functional 2PP system has enabled the micro-fabrication of photonic structures for a wide range of future commercial and research applications, resulting in an industrial equipment that the company Lasing S.A. can commercialize. RESUMEN Esta tesis se centra en el diseño, fabricación, prueba, calibración y optimización de un sistema de polimerización de dos fotones (2PP) para la micro-fabricación de estructuras poliméricas. El trabajo se ha realizado en colaboración entre la empresa Lasing S.A. y el Grupo de Fotónica Aplicada (GFA) del Centro de Materiales y Dispositivos Avanzados para Tecnologías de la Información y Comunicaciones (CEMDATIC) en la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Este proyecto ha sido financiado por la Comunidad de Madrid bajo un programa de doctorado industrial. En la fase inicial, el sistema fue diseñado y ensamblado en le empresa Lasing S.A., y posteriormente instalado en la cámara limpia del GFA, resultando en un sistema completamente operativo para la polimerización de microestructuras bidimensionales y tridimensionales (2D, 3D) basado en fotoresinas comerciales. Posteriormente, el sistema 2PP fue optimizado para caracterizar el vóxel en fotoresinas comerciales de tono negativo y positivo. Este trabajo, un aspecto crucial para alcanzar la máxima resolución durante los procesos de escritura directa por láser (DLW), se llevó a cabo en la sala limpia del GFA. El trabajo proporciona un análisis de DLW que correlaciona los parámetros de impresión (velocidad de escaneo y control de la potencia del haz láser) con los tamaños lateral y axial del vóxel. Una vez optimizado el sistema, se fabricaron microestructuras poliméricas 2D. Esto implicó controlar el vóxel y el enfoque en superficies poliméricas ultradelgadas para obtener patrones repetibles consistentes en micro-surcos o micro-líneas periódicas con un espaciado de 0.5 m para la alineación de cristales líquidos (LC). Estos patrones arbitrarios permitieron la generación de polarizadores con alineación de alta calidad en los fotoresinas SU-8 y S1805. Finalmente, se fabricaron microestructuras poliméricas 3D. En este caso, se aplicó la técnica de hatching con un vóxel optimizado para el relleno de las microestructuras impresas mediante los métodos de impresión capa por capa y 3D real. Además, se fabricaron micro-andamios complejos con una resolución de alrededor de 0.5 m en la fotoresina mr-DWL. El sistema 2PP completamente funcional ha permitido la micro-fabricación de estructuras fotónicas para una vasta variedad de aplicaciones comerciales y de investigación futuras, culminando en un equipo industrial que la empresa Lasing S.A. puede comercializar.