當(dāng)前，在全球范圍內(nèi)科技與產(chǎn)業(yè)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(shù)正在快速發(fā)展。光電產(chǎn)業(yè)與能源、信息、醫(yī)療等領(lǐng)域的結(jié)合和滲透也在加速，推動(dòng)著新技術(shù)、新產(chǎn)品和新商業(yè)模式的不斷涌現(xiàn)，全球光電產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)格局經(jīng)歷重大重塑。

據(jù)Market Research Future預(yù)測(cè)，到2032年，光電市場(chǎng)的規(guī)模將從2024年的381.9億美元增長(zhǎng)至845億美元。預(yù)計(jì)在2024至2032年期間，該市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率為10.44%，其中光電子在多個(gè)不同領(lǐng)域的應(yīng)用增加以及紅外元件利用率的提高是促進(jìn)市場(chǎng)增長(zhǎng)的關(guān)鍵市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力。

隨著光電子技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模化生產(chǎn)，社會(huì)生產(chǎn)對(duì)光電子相關(guān)器件的需求日益增加，互聯(lián)網(wǎng)與光電產(chǎn)業(yè)深度融合。作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)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(fā)展。然而，由于其發(fā)展歷程相對(duì)較短，仍面臨諸多挑戰(zhàn)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(jìn)行成像的技術(shù)，主要用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測(cè)、安全檢查和科學(xué)研究等領(lǐng)域。但該技術(shù)受到的主要限制因素在于厚層閃爍體材料內(nèi)部存在的自吸收和散射現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(dá)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(xué)（NUS）化學(xué)系的劉小鋼教授研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)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(shè)計(jì)可以有效地吸收傳遞閃爍體層激發(fā)的光子，降低閃爍體材料內(nèi)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(guān)成果以“A double-tapered fibre array for pixel-dense gamma-ray imaging"為題，發(fā)表在《Nature Photonics》期刊上。

光纖可以增強(qiáng)光耦合，執(zhí)行光信號(hào)傳輸，并實(shí)現(xiàn)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(jìn)倏逝波在錐形區(qū)域的基模上的傳播來充當(dāng)高功率放大器。在這里，研究人員擴(kuò)展了理論分析，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了使用柔性雙錐形光纖陣列和鈣鈦礦納米晶閃爍體實(shí)現(xiàn)高靈敏度伽馬射線成像的可能性。

研究人員對(duì)光收集特性進(jìn)行了表征，并優(yōu)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(tuán)隊(duì)通過成型和層壓聚氨酯和有機(jī)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(shù)制作出光纖陣列模具(nanoArch® S130，精度：2μm)，并結(jié)合PDMS翻模技術(shù)得到雙錐形纖維陣列。鈣鈦礦納米晶充當(dāng)閃爍體，通過測(cè)量其激發(fā)光譜對(duì)鈣鈦礦納米晶進(jìn)行表征，其表示作為波長(zhǎng)的函數(shù)的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度。鈣鈦礦閃爍體表現(xiàn)出相對(duì)較小的斯托克斯位移和較高的量子產(chǎn)率，導(dǎo)致發(fā)射光子的大量重吸收。

雙錐形光纖陣列系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵特征是它適用于發(fā)光穿透深度不足的所有情況，例如，具有上轉(zhuǎn)換材料的近紅外探測(cè)器、具有鈣鈦礦閃爍體的X射線或伽馬射線探測(cè)器以及電激發(fā)發(fā)光二極管。通過將光纖陣列和鈣鈦礦納米晶相結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了輸出信號(hào)增加了三倍，并通過4 mm厚的閃爍體層實(shí)現(xiàn)了6 MeV和10 MeV的伽馬射線成像。伽馬射線成像對(duì)于測(cè)量放射治療、醫(yī)學(xué)診斷和工業(yè)三維伽馬射線斷層掃描期間的皮膚劑量非常重要，因?yàn)檫@需要深度穿透。

鑒于雙錐形光纖陣列與硅技術(shù)的兼容性以及材料的可延展性，有望被大規(guī)模生產(chǎn)用于制造超靈敏光子探測(cè)器和用于高能輻射的大面積柔性成像設(shè)備，在仿復(fù)眼學(xué)、光場(chǎng)成像、生物分子傳感、光學(xué)放大器以及發(fā)光二極管等領(lǐng)域也有著潛在應(yīng)用。