一、光声效应

当周期性调制或脉冲激光照射物质时，物质吸收光能后发生非辐射弛豫，吸收的光能转化为热能，引起局部温度周期性升高与降低，进而造成物质热胀冷缩，产生弹性应力并向外传播形成声波，这一现象被称为光声效应（Photoacoustic Effect）。

光声效应原理示意图

光声效应最早由Bell[1]于1880年发现。Bell 在实验中发现，将间断光束照射至可吸收光线的固体材料上，材料会激发出与入射光调制频率一致的声波，该成果奠定了光声成像的基础。此后近百年间，光声效应主要用于光谱分析研究，逐步形成光声光谱技术。20世纪后期，随着脉冲激光技术、高灵敏度超声探测器件与图像重建算法快速发展，基于光声效应的光声成像技术得到广泛发展。

二．光声成像

光声成像是依托光声效应发展而来的生物医学成像技术，属于非侵入、非电离的检测手段[2]。其工作过程为：脉冲激光辐照生物组织，组织吸收部分入射光能量，光能沉积造成局部温度小幅升高，诱发组织快速发生热-弹性膨胀。在满足热约束与应力约束的条件下，瞬时热膨胀会激发出压力波，也就是光声信号；该信号以超声波的形式向外传播，由高灵敏度超声换能器采集，再经由图像重建算法，反推得到生物组织内部的光吸收分布，最终生成光声图像。

光声成像原理示意图

不同生物组分的光吸收能力存在区别，比如相同条件下，黑色素对光的吸收程度远高于脂肪组织，即便是同一种组织，在不同波长激光的作用下，吸收程度也并不相同。基于这一特点发展的光声成像，能够对血氧饱和度等功能参数做定量解析，反映组织组分构成与代谢状态，完成功能层面的成像检测。

光声信号承载着组织本身的光吸收信息，该成像技术兼顾了光学成像对比度高以及超声成像穿透深度大的双重优势。它打破了传统光学成像大约1 mm的成像深度的局限，在特定实验条件下成像深度可达约 70 mm，同时能够获得分辨率与对比度良好的组织影像。作为近些年快速兴起的无损成像技术，光声成像的空间分辨率覆盖微米到毫米量级，可以获取解剖结构、生理功能、组织代谢以及分子、基因层面的多重光吸收对比信息，成像对象能够从细胞器、细胞延伸到组织与器官，在生物医学相关研究中具备很高的应用价值。

2.1光声成像对波长的要求

光声成像中激发波长的选择需根据目标的吸收特性与成像深度要求进行针对性选择[2]。针对特定波长，其适用性如下：1064 nm位于第二近红外窗口（NIR-II），组织散射极低，可实现数厘米级深度成像，但水吸收显著增强，适合深部大血管或造影剂成像；532 nm处于血红蛋白吸收峰，光声转换效率极高，对比度优于近红外波段，但受限于组织强散射，仅适用于浅表高分辨显微成像；9xx nm位于NIR-I窗口边缘，兼具一定穿透深度与脂质/水的吸收敏感性，常用于脂肪或水含量功能成像；808 nm为常用近红外激发波长，与ICG等造影剂吸收峰高度匹配，且组织吸收系数较低，在靶向分子成像中应用广泛；785 nm因水吸收系数低于808 nm且与多种商用激光器兼容，常用于多光谱光声分离中区分氧合与脱氧血红蛋白；355 nm和266 nm属紫外波段，分别对应蛋白质芳香族化合物和核酸的吸收峰，可实现细胞核及亚细胞结构的成像，但组织穿透深度仅为微米级，且光损伤风险较高。实际研究中常采用多波长组合策略，通过光谱获取多组分信息，而非依赖单一波长。

人体部分成分吸收光谱图

2.2光声成像对脉冲宽度的要求

对于脉冲宽度，其选取主要受热约束条件的限制。若要获得高效的光声信号，激光脉宽必须远小于组织吸收体的热扩散时间，通常要求脉宽在百纳秒内，实际中多采用1～100 ns范围，其中4～20 ns是最常见的区间。较窄的脉宽（如2 ns左右）能够激发更宽频带的光声信号，理论上有利于提升轴向分辨率，但对激光器的设计和调Q技术提出了更高要求，成本也随之上升。

2.3光声成像对重复频率的要求

重复频率关系到成像的帧率和数据采集效率。对于以深层组织探测为主的光声断层成像，通常采用1～10 Hz的低重频激光器，目的是保证单脉冲能量足够大，以穿透数厘米深度的组织，但这一方式的成像速度较慢。而在光声显微镜中，为实现快速的逐点扫描，常采用kHz量级的高重频光源。

2.4光声成像对能量的要求

脉冲能量是决定信号强度和最大成像深度的因素。在深层组织成像中，光经过组织衰减后到达目标区域的通量有限，因此要求激光器输出毫焦级的单脉冲能量，文献报道的系统中能量从数十毫焦到焦级不等。而在浅表高分辨成像中，由于无需穿透深层，所需能量可大幅降低至微焦甚至纳焦级别，如3 μJ的脉冲能量即可满足要求。增加脉冲能量能提高信噪比，但必须在组织安全阈值内操作，不能无限制提升。

三．光声成像配套激光器

随着生物医学成像技术飞速发展，光声成像凭借无电离辐射、成像对比度高、组织穿透深度大的突出特点，广泛应用于生物基础研究、临床疾病诊断、术中精准导航等场景[2]。该成像技术对配套激光光源的适配性要求高，不仅需要精准匹配生物组织吸收特性，还对输出能量稳定性、脉冲宽度、参数可调范围、光斑质量等核心性能有着严苛要求。针对光声成像不同生物组织、不同探测深度、不同成像精度与动态检测的差异化测试需求，北京杏林睿光自主研发推出MCA、MCC、MCO三大系列激光器，形成覆盖窄脉宽、高重频、多波长、大能量的全品类光声成像激光光源方案，可适配多种生物组织的光声信号激发与精准成像检测需求，支持空间输出与光纤耦合输出两种模式，适配多场景系统集成。

MCO激光器实物图

MCO激光器参数表 

在核心性能与参数配置上，三大系列激光器各有技术优势，可匹配主流光声成像设备的多元化使用需求。其中MCO系列激光器波长覆盖范围广，可输出1064nm、532nm、355nm、266nm四种主流常用波长，能够精准匹配不同生物组织、生物分子的差异化光学吸收特性，适配多维度成像检测场景。能量调节层面可结合成像深度与组织透光特性精准适配：1064nm长波波段适配生物深层组织成像，能量调节范围1~60μJ，全程连续可调；532nm波段适配浅层组织高精度精细成像，能量调节范围1~30μJ；355nm、266nm紫外波段同样支持精细化能量调节，可充分满足特殊生物样本检测、分子靶向成像等实验与精密检测场景的使用需求[3]。同时该系列支持1~200Hz宽范围重复频率调节，兼顾低速静态组织扫描成像与高速生物动态成像，可清晰捕捉组织、血管的实时动态变化。

光斑形貌                                           

典型脉冲波形

MCA系列亚纳秒微片激光器主打窄脉冲、低热干扰特性，脉冲宽度最低可达1.2ns，可有效抑制成像过程中的热扩散干扰，大幅提升光声成像的分辨率与检测精度。系列单脉冲能量最高可达120μJ，可根据成像工况灵活切换参数，平衡成像效率与成像质量。设备采用标准TEM00基模输出，光束质量优异、偏振稳定性高，搭配全密封一体化结构，体积小巧、功耗较低，适配高精度、高稳定性的静态精细成像与长效实验检测场景。

MCA系列激光器实物图                          

MCA系列激光器参数表

MCC系列微片激光器是高速动态光声成像的优选方案，脉宽低至750ps，脉冲波形纯净、输出稳定性极强，可大幅压缩热效应，适配超高精度、超快响应的动态成像检测。该系列最高重复频率可达30kHz，响应速度更快，能够精准捕捉生物组织的瞬时动态变化，可很好适配活体动态成像、微循环血流监测等前沿场景光声成像设备的激光光源。同时设备输出功率覆盖4~400mW，参数可调性强，结构紧凑、可靠性高，兼容小型化成像系统集成需求。

MCC系列激光器实物图                      

MCC系列激光器参数表

同时，针对更高的成像深度，杏林睿光也可提供高能量固体激光器，HQF系列灯泵调Q纳秒激光器是一款紧凑型纳秒激光器，采用单灯双棒设计，闪光灯使用寿命长，易于更换；输出光束平顶分布；可提供单波长/双波长输出版本，在1064nm波长下能量可分别达到800mJ和1.2J。本系列产品具有结构紧凑、稳定性高、光束质量优异、大能量输出等特点。

HQF灯泵调Q纳秒激光器实物图（左）及参数表（右）

同时，为便于高能量激光器集成到其他设备中，杏林睿光可提供AQE系列RealShock®叠阵泵浦主动调Q激光器，采用自主研制的半导体叠阵进行多向均匀泵浦，可实现高能量、高稳定性、光斑均匀性好的主动调Q激光输出，激光器谐振腔采用密封封装，一体化驱动控制电路。

AQE-180mJ激光器实物图                                              

AQE-180mJ激光器参数表

免责声明：本产品属于科研级激光器，仅用于实验室科学研究，不属于医疗器械，不可直接用于人体临床诊断、治疗。文中涉及光声成像的临床应用方向仅为技术发展综述，不代表本产品具备临床医疗功能。本文部分内容来自网络，以技术研究交流为目的，仅供大家参考、学习，如描述有误或者学术不对之处欢迎及时提出。如涉及版权问题，请联系我们将尽快核实并删除。

引用

[1]Alexander Graham Bell. On the production and reproduction of sound by light[J] . Sciences , 1880, 17(20):305~324.

[2]申晓雯，武红鹏，董磊。光声成像技术在生物医学中的研究进展 (特邀)[J]. 光子学报，2023,52 (03):0352105.

[3]Yao J, Wang L V. Functional photoacoustic microscopy for high-resolution and noninvasive in vivo imaging [J]. Laser & Photonics Reviews, 2013,7 (6):758-778.

问答

Q：光声成像在选择激光激发波长时主要需要考虑哪些因素？不同典型波长分别适合什么场景？ 

A：波长选择主要依据目标的吸收特性以及成像深度需求。

1064 nm（NIR-II 窗口）：组织散射低，适合深部大血管、造影剂成像，缺点水吸收较强；

532 nm：血红蛋白吸收峰，光声转换效率高，适合浅表高分辨显微成像，受散射限制穿透浅；

808 nm：匹配 ICG 造影剂吸收峰，多用于靶向分子成像；

785 nm：常用于区分氧合、脱氧血红蛋白，做多光谱光声成像；

紫外 355 nm/266 nm：可实现细胞核无标记成像，但穿透只有微米级，光损伤风险高。

Q：光声成像相比传统光学、超声成像，具备哪些核心优势？

 A：光声成像结合了光学成像与超声成像两者的优点。

对比度高：依靠生物组织不同组分的光吸收差异成像，还可做功能成像，能够解析血氧饱和度，反映组织代谢、组分信息；

穿透深度大：突破普通光学成像约 1 mm 深度限制，部分系统成像深度可达 70 mm；

分辨率跨度大：空间分辨率覆盖微米到毫米量级；

非侵入、非电离检测，无电离辐射；

可实现从亚细胞、细胞到组织器官多尺度成像，支持解剖、功能、分子多维度信息获取。