通過在錐形光纖陣列表面塗覆反高斯鉻膜改善透射率均勻性

《Materials & Design》：Improvement of transmittance homogeneity via coating anti-Gaussian chromium films on tapered optical fibre arrays

爲解決錐形光纖陣列（TOFA）固有的、呈高斯分佈的透射率不均勻性問題，研究人員基於「透射率-膜厚」數字關聯模型，設計了螺旋梯度開口渦殼掩模，並結合自研旋轉塗覆裝置成功製備了徑向連續梯度厚度的反高斯鉻膜。實驗結果表明，該方法能將TOFA的透射率不均勻度從原始的4.21%~11.872%顯著降低至最低1.422%，有效補償了透射率，爲提升弱信號檢測靈敏度與動態響應範圍提供了新方案。

　　

在軍事夜視、醫療影像和高能物理等尖端領域，有一種名爲「錐形光纖陣列（Tapered Optical Fibre Arrays, TOFA）」的核心光學元件扮演着關鍵角色。它由數億根微米級的複合光纖構成，能夠像傳遞火炬一樣，將圖像忠實地放大或縮小後傳輸出去，是連接低光照圖像增強器與數碼相機（CCD/CMOS）的「橋樑」，實現微弱光信號數字化處理的關鍵。然而，這座「光之橋」並非完美無瑕。它有一個固有的頑疾：透射率不均勻。簡單來說，當光線穿過TOFA時，中心區域最「明亮」，透射率高；而邊緣區域則逐漸「暗淡」，透射率低，整體呈現一種中間高、四周低的「高斯分佈」。這種不均勻性就像給圖像蒙上了一層漸變的暗影，它會衰減邊緣信號、降低探測靈敏度、壓縮動態響應範圍。尤其在將其創新性地應用於大型科學裝置——高能宇宙線探測（High Energy cosmic-radiation Detection, HERD）的信號輸出系統中時，問題更爲突出。HERD如同一個五面靈敏的巨大「熱量計」，用於捕捉來自宇宙深處的射線。射線強度在探測晶體內會持續衰減，動態範圍橫跨數個數量級，且強弱信號在視場內並無固定分佈。TOFA的透射率不均勻，會導致相同初始強度的宇宙射線受到不同程度的衰減，特別是邊緣區域的弱信號可能被誤判爲背景噪聲，從而擾亂整個能量標定，無法真實還原宇宙信號的原始強度。因此，攻克TOFA的透射率均勻性難題，對於推動高靈敏度弱信號探測領域的發展至關重要。

傳統的薄膜沉積技術只能在透光表面形成一層厚度恆定的膜，這對於改善TOFA固有的、隨位置變化的透射率不均勻性無能爲力。那麼，有沒有一種「智能」的薄膜，能夠「對症下藥」，在透射率高的中心區域塗得厚一些以降低透光，在透射率低的邊緣區域塗得薄一些以減少遮擋，從而實現整體透射率的「拉平」呢？這正是發表於《Materials 》上的研究「通過在錐形光纖陣列表面塗覆反高斯鉻膜改善透射率均勻性」所要解決的核心問題。由Yuwen Xing、Juan Liu、Yonggang Huang等人組成的團隊提出了一種創新的徑向深度可變塗覆方案。他們基於TOFA透射率呈高斯分佈的特點，反向設計並成功製備了一種厚度從中心向邊緣連續梯度減少的「反高斯分佈」鉻膜。這種膜的透射率分佈曲線與TOFA固有的高斯透射率曲線恰好互補，從而實現了有效的透射率補償。

研究人員爲了實現這一目標，運用了一系列關鍵技術方法。首先，他們通過自研的透射率測試裝置精確表徵了TOFA樣品塗膜前後的透射率分佈。其次，他們設計並使用了不同開口直徑的圓形掩模，結合自研塗覆裝置沉積階梯膜，建立了「透射率補償量-膜厚」的數字關聯模型。在此基礎上，針對每個TOFA樣品特定的透射率分佈，計算出所需的反高斯膜厚度曲線，並據此設計出具有螺旋梯度開口的專用渦殼掩模。最後，將此掩模與自研的旋轉塗覆裝置集成，構建動態協調沉積系統，在高真空電子槍蒸發鍍膜機中沉積高純度金屬鉻，成功製備出徑向連續梯度厚度的反高斯鉻膜。研究使用了四個不同尺寸的TOFA樣品（TOFA-1至TOFA-4）來驗證方法的有效性與普適性。

研究結果主要通過以下幾個部分呈現：

1. 表徵沉積在TOFA表面的反高斯膜

利用透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）的顯微表徵說明了對金屬鉻膜從中心到邊緣厚度非線性且精確的控制。通過對比塗覆階梯膜前後的透射率曲線，確認了多層階梯膜結構由於膜厚突變會產生階梯狀透射率曲線，不適用於改善TOFA的透射率不均勻性。因此，研究轉向設計連續厚度的反高斯膜。根據建立的補償模型，爲四個TOFA樣品分別計算並擬合出了所需的膜厚分佈四元方程，並據此設計了對應的渦殼掩模。X射線衍射（XRD）分析證實沉積的鉻膜爲立方相。SEM圖像顯示膜層表面無裂紋或孔隙。能量色散X射線光譜（EDS）面掃描表明鉻元素均勻分佈，原子力顯微鏡（AFM）測量顯示塗膜前後表面粗糙度變化極小（約3.3納米），說明塗覆過程對表面質量影響甚微。聚焦離子束-透射電子顯微鏡（FIB-TEM）厚度測量結果顯示，實際膜厚基本遵循設計的高斯分佈，儘管邊緣區域因掩模開口過小而存在一定控制誤差。

2. 沉積在TOFA表面的反高斯膜的光學性能

塗覆反高斯膜後，四個TOFA樣品的透射率不均勻性均得到顯著改善。具體而言，TOFA-1的透射率不均勻度從10.717%降至2.242%，降低幅度達79.08%；TOFA-2從7.046%降至3.514%；TOFA-3從11.872%大幅降至1.497%（改善87.39%）；TOFA-4從4.210%降至1.422%（改善66.21%）。僞彩色圖直觀顯示，塗膜前圖像中心呈深紅色並向邊緣漸淡，塗膜後則呈現出高度均一的顏色分佈，證明了透射率均勻性的有效提升。雖然中心區域的絕對透射率有所下降，但對於弱信號檢測，可通過前端圖像增強器調整電子倍增係數進行補償；對於高能射線檢測，適度的透射率降低反而有助於防止探測器因光子通量過飽和。此外，分辨率測試表明，厚度小於10納米的膜層不影響TOFA的成像分辨率（保持64 lp/mm）；光學串擾測試結果顯示，塗膜前後的光學串擾率僅相差0.8%，影響可忽略不計，證明了該技術在提升均勻性的同時，未損害核心光學性能。

研究結論與討論部分強調，該工作成功提出並驗證了一種通過塗覆徑向連續梯度厚度反高斯鉻膜來改善TOFA透射率均勻性的新方法。通過建立TOFA透射率分佈、掩模建模與塗覆工藝之間的數字映射關係，得出了適用方程 θ(r)=k*d(r)，可據此爲不同的TOFA快速定製專屬掩模，解決了傳統方法通用性差的問題。實驗數據證明，該方法能將TOFA的透射率不均勻度從最初的百分之幾到十二大幅降低至最低1.422%以下，展現了優異的補償能力、重複性和穩定性。這項研究不僅爲改善TOFA的透射率不均勻性提供了創新解決方案，在光學成像與顯示等領域展現出廣闊應用前景，也進一步推動了TOFA在多個光學領域的發展與應用。特別是在要求極高的HERD等大型科學裝置中，更高均勻性的TOFA將有助於更精確地還原宇宙信號，完成探測使命。