国家自然科学基金项目科普——基于量子光源和非接触干涉测量的全光光声显微成像研究
一、什么是光声成像？
Ø 光声成像（Photoacoustic Imaging）是一种创新的生物医学成像技术。其基本原理是：当短脉冲激光照射生物组织（如皮肤或血管）时，组织中的吸光物质（如血红蛋白）会吸收光能并瞬间发热膨胀，产生微弱的超声波；这些声波被超声探测器捕获后，通过计算机处理，就能生成高分辨率的二维或三维图像。
Ø 光声成像的独特优势：
高对比度：由于光声成像的信号产生基于生物组织内物质的光学吸收，能敏感地区分血红蛋白、黑色素等内源性物质，无需注射外源性造影剂。
高分辨率和深层成像深度的平衡：传统光学成像受组织对光的强散射作用限制，成像深度浅；传统超声成像采用超声辐照并接收返回超声信号的方式成像，成像分辨率受限于超声波的波长等因素。光声成像利用短波长激光激发信号，产生的信号则是在组织中传输损耗和散射较弱的超声信号，因此同时具备高分辨率和大传输深度，填补了纯光学成像和纯超声成像之间的空白。
Jiang Zhu, et al. APL Photonics 3, 120902 (2018)
无创且功能丰富：光声成像不仅提供组织结构信息，还能通过多波长激光测量血氧饱和度、血流速度等生理参数，帮助研究代谢活动或疾病进展。
二、什么是全光器件光声成像？
现有的光声成像设备或装置所使用的超声信号探测器是超声换能器，其基本原理是利用压敏元件或材料将超声波转换为电信号。由于声波在空气中以及跨介质传播时有较大的传输损耗，因此压敏元件需要与被测物直接接触才能实现高信噪比的超声检测，导致相关的光声成像设备或装置的工作模式均为直接接触式或通过水、超声凝胶等声耦合介质的接触式。此外，超声换能器的探测带宽有限、测量信噪比（即灵敏度）易受热噪声、环境电子噪声等影响，均限制了相关的光声成像设备或装置的性能与应用范围。
光致超声在传输至生物组织表面时会引起表面的微弱振动，因此可以使用光学干涉仪等装置对其进行宽带、高灵敏度检测，并进而实现非接触的光声成像。在这种结构的装置中，激发源、探测器等均为光学器件，因此被称为全光器件光声成像。
三、本项目成果
激发光源：主动同步全固态高重频窄脉宽单纵模脉冲激光器。
项目组研制的全固态高重频窄脉宽单纵模532 nm/1064 nm双波长激光器样机与美国Fibertek公司（提供给NASA用于ICESAT项目）同类激光器的技术指标的对比如下表所示。
1 kHz重频亚纳秒双波长脉冲激光器样机
探测光源：全固态连续波单频人眼安全激光器。
项目组研制的全固态低噪声连续波单频1.5 μm激光器样机与美国Princeton Optronics公司同类激光器的技术指标的对比如下表所示。
全固态连续波单频1.5 μm固体激光器样机
量子光源：人眼安全波段真空压缩态光源。
项目组研制的1.5 μm真空压缩态量子光源的压缩度为7 dB，单次连续稳定运行时间大于3小时，装置整体尺寸约为1.5*1.5 m2。
分析频率3 MHz处，压缩态光场的噪声功率随压缩态光场与本底振荡场之间相对相位的变化
超声探测器：量子增强干涉仪
基于量子光源和非接触干涉测量的光声显微成像装置。噪声等效声压为1.45 Pa。在成像深度为7 mm时，实验测得系统的横向和纵向分辨率分别为9.2 μm、4.5 μm。
基于量子光源和非接触干涉测量的全光光声显微成像装置
无脉冲激光激发时，基于量子光源和非接触干涉测量的全光光声成像装置的 (a) 噪声信号及其 (b) 声压噪声谱; 对声压噪声谱进行积分、开方可得噪声等效声压为1.45 Pa.
基于量子光源和非接触干涉测量的全光光声成像装置的横向分辨率。球形数据点和黑色实线：边缘扩散函数的实验测量值和拟合值；蓝色实线：线扩散函数（由边缘扩散函数的拟合值的微分得到）。线扩散函数曲线的半高全宽即为成像装置的横向分辨率。
四、本项目成果的应用
Ø 使用研制的全光光声成像装置，实现了针对牙齿中不同成分的高分辨成像。
全光光声成像装置产品化后的应用——牙齿功能成像
(a) 表面裂纹（模拟龋洞）的离体牙齿照片； (b) (c) 使用全光光声成像装置测量的牙齿切片图像：(b) 基于延迟求和法生成； (c) 以光声功率谱斜率、功率谱斜率的和与积作为成像对比度生成。
Ø 使用研制的全光光声成像装置，获得了海洋环境中常见物体，如海洋生物（如海虾、海鱼、海带等）、金属材料（不锈钢）、吸声材料（环氧聚酰胺树脂、氯丁橡胶等）的关键光声信号特征，未来有望用于潜艇等水下舰船的监测。
全光光声成像装置应用场景——海洋水下物体监测
常见海洋中材料的光声信号频谱峰值
