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新加坡国立大学刘小钢团:制备用于提高射线成像性能的像素化双锥形光纤阵列

更新时间:2024-06-26      点击次数:148

当前,在全球范围内科技与产业革命的浪潮中,信息光电子、激光加工、激光全息、光电传感等技术正在快速发展。光电产业与能源、信息、医疗等领域的结合和渗透也在加速,推动着新技术、新产品和新商业模式的不断涌现,全球光电产业的竞争格局经历重大重塑。


据Market Research Future预测,到2032年,光电市场的规模将从2024年的381.9亿美元增长至845亿美元。预计在2024至2032年期间,该市场的年复合增长率为10.44%,其中光电子在多个不同领域的应用增加以及红外元件利用率的提高是促进市场增长的关键市场驱动力。




随着光电子技术的进步和规模化生产,社会生产对光电子相关器件的需求日益增加,互联网与光电产业深度融合。作为高新技术产业基础的光电元件,正快速朝着微型化、精密化、轻薄化以及集成化的方向发展。然而,由于其发展历程相对较短,仍面临诸多挑战和问题需要逐步解决。


其中,高能射线成像是一种利用高能射线(如X射线、伽马射线等)进行成像的技术,主要用于医学、工业检测、安全检查和科学研究等领域。但该技术受到的主要限制因素在于厚层闪烁体材料内部存在的自吸收和散射现象。近年来,钙钛矿纳米闪烁体已直接集成到电荷耦合器件中以实现X射线成像。然而,为了有效吸收高能射线,钙钛矿闪烁体层必须达到毫米至厘米的厚度。但由于横向光子散射和固有的自吸收,毫米厚度的钙钛矿闪烁体的光穿透和空间分辨率仍将受到限制。


基于此,新加坡国立大学(NUS)化学系的刘小钢教授研究团队开发了一种用于提高射线成像性能的像素化双锥形光纤阵列。该阵列通过双锥面设计可以有效地吸收传递闪烁体层激发的光子,降低闪烁体材料内部的散射和自吸收,从而有效提高射线成像的空间分辨率和成像性能。相关成果以“A double-tapered fibre array for pixel-dense gamma-ray imaging"为题,发表在《Nature Photonics》期刊上。


光纤可以增强光耦合,执行光信号传输,并实现具有低损耗接口的光子集成电路。此外,理论研究表明,锥形或双锥形光纤可以通过促进倏逝波在锥形区域的基模上的传播来充当高功率放大器。在这里,研究人员扩展了理论分析,并通过实验验证了使用柔性双锥形光纤阵列和钙钛矿纳米晶闪烁体实现高灵敏度伽马射线成像的可能性。


图1. 用于定向光收集的透明双锥形光纤阵列的结构特性



研究人员对光收集特性进行了表征,并优化了锥形光纤的几何形状,以最大限度地提高光收集效率和传输效率。研究团队通过成型和层压聚氨酯和有机硅弹性体制造双锥形纤维阵列,首先采用摩方精密面投影微立体光刻(PμSL)3D打印技术制作出光纤阵列模具(nanoArch® S130,精度:2μm),并结合PDMS翻模技术得到双锥形纤维阵列。钙钛矿纳米晶充当闪烁体,通过测量其激发光谱对钙钛矿纳米晶进行表征,其表示作为波长的函数的相对发光强度。钙钛矿闪烁体表现出相对较小的斯托克斯位移和较高的量子产率,导致发射光子的大量重吸收。


图2. 用于光子回收和高分辨率X射线成像的双锥形光纤阵列的光学特性



双锥形光纤阵列系统的一个关键特征是它适用于发光穿透深度不足的所有情况,例如,具有上转换材料的近红外探测器、具有钙钛矿闪烁体的X射线或伽马射线探测器以及电激发发光二极管。通过将光纤阵列和钙钛矿纳米晶相结合,在实验中实现了输出信号增加了三倍,并通过4 mm厚的闪烁体层实现了6 MeV和10 MeV的伽马射线成像。伽马射线成像对于测量放射治疗、医学诊断和工业三维伽马射线断层扫描期间的皮肤剂量非常重要,因为这需要深度穿透。

鉴于双锥形光纤阵列与硅技术的兼容性以及材料的可延展性,有望被大规模生产用于制造超灵敏光子探测器和用于高能辐射的大面积柔性成像设备,在仿复眼学、光场成像、生物分子传感、光学放大器以及发光二极管等领域也有着潜在应用。