新加坡國立大學劉小鋼團：制備用于提高射線成像性能的像素化雙錐形光纖陣列

當前，在全球范圍內科技與產業革命的浪潮中，信息光電子、激光加工、激光全息、光電傳感等技術正在快速發展。光電產業與能源、信息、醫療等領域的結合和滲透也在加速，推動著新技術、新產品和新商業模式的不斷涌現，全球光電產業的競爭格局經歷重大重塑。

據Market Research Future預測，到2032年，光電市場的規模將從2024年的381.9億美元增長至845億美元。預計在2024至2032年期間，該市場的年復合增長率為10.44%，其中光電子在多個不同領域的應用增加以及紅外元件利用率的提高是促進市場增長的關鍵市場驅動力。

隨著光電子技術的進步和規模化生產，社會生產對光電子相關器件的需求日益增加，互聯網與光電產業深度融合。作為高新技術產業基礎的光電元件，正快速朝著微型化、精密化、輕薄化以及集成化的方向發展。然而，由于其發展歷程相對較短，仍面臨諸多挑戰和問題需要逐步解決。

其中，高能射線成像是一種利用高能射線（如X射線、伽馬射線等）進行成像的技術，主要用于醫學、工業檢測、安全檢查和科學研究等領域。但該技術受到的主要限制因素在于厚層閃爍體材料內部存在的自吸收和散射現象。近年來，鈣鈦礦納米閃爍體已直接集成到電荷耦合器件中以實現X射線成像。然而，為了有效吸收高能射線，鈣鈦礦閃爍體層必須達到毫米至厘米的厚度。但由于橫向光子散射和固有的自吸收，毫米厚度的鈣鈦礦閃爍體的光穿透和空間分辨率仍將受到限制。

基于此，新加坡國立大學（NUS）化學系的劉小鋼教授研究團隊開發了一種用于提高射線成像性能的像素化雙錐形光纖陣列。該陣列通過雙錐面設計可以有效地吸收傳遞閃爍體層激發的光子，降低閃爍體材料內部的散射和自吸收，從而有效提高射線成像的空間分辨率和成像性能。相關成果以“A double-tapered fibre array for pixel-dense gamma-ray imaging"為題，發表在《Nature Photonics》期刊上。

光纖可以增強光耦合，執行光信號傳輸，并實現具有低損耗接口的光子集成電路。此外，理論研究表明，錐形或雙錐形光纖可以通過促進倏逝波在錐形區域的基模上的傳播來充當高功率放大器。在這里，研究人員擴展了理論分析，并通過實驗驗證了使用柔性雙錐形光纖陣列和鈣鈦礦納米晶閃爍體實現高靈敏度伽馬射線成像的可能性。

研究人員對光收集特性進行了表征，并優化了錐形光纖的幾何形狀，以最大限度地提高光收集效率和傳輸效率。研究團隊通過成型和層壓聚氨酯和有機硅彈性體制造雙錐形纖維陣列，首先采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術制作出光纖陣列模具(nanoArch® S130，精度：2μm)，并結合PDMS翻模技術得到雙錐形纖維陣列。鈣鈦礦納米晶充當閃爍體，通過測量其激發光譜對鈣鈦礦納米晶進行表征，其表示作為波長的函數的相對發光強度。鈣鈦礦閃爍體表現出相對較小的斯托克斯位移和較高的量子產率，導致發射光子的大量重吸收。

雙錐形光纖陣列系統的一個關鍵特征是它適用于發光穿透深度不足的所有情況，例如，具有上轉換材料的近紅外探測器、具有鈣鈦礦閃爍體的X射線或伽馬射線探測器以及電激發發光二極管。通過將光纖陣列和鈣鈦礦納米晶相結合，在實驗中實現了輸出信號增加了三倍，并通過4 mm厚的閃爍體層實現了6 MeV和10 MeV的伽馬射線成像。伽馬射線成像對于測量放射治療、醫學診斷和工業三維伽馬射線斷層掃描期間的皮膚劑量非常重要，因為這需要深度穿透。

鑒于雙錐形光纖陣列與硅技術的兼容性以及材料的可延展性，有望被大規模生產用于制造超靈敏光子探測器和用于高能輻射的大面積柔性成像設備，在仿復眼學、光場成像、生物分子傳感、光學放大器以及發光二極管等領域也有著潛在應用。