CN112415096B - 基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***及方法 - Google Patents

基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112415096B
CN112415096B CN202011227123.0A CN202011227123A CN112415096B CN 112415096 B CN112415096 B CN 112415096B CN 202011227123 A CN202011227123 A CN 202011227123A CN 112415096 B CN112415096 B CN 112415096B
Authority
CN
China
Prior art keywords
beam splitting
laser
reflector
super
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011227123.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112415096A (zh
Inventor
陈重江
蒋新立
邢达
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China Normal University
Original Assignee
South China Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China Normal University filed Critical South China Normal University
Priority to CN202011227123.0A priority Critical patent/CN112415096B/zh
Publication of CN112415096A publication Critical patent/CN112415096A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112415096B publication Critical patent/CN112415096B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
    • G01N29/0654—Imaging
    • G01N29/0681—Imaging by acoustic microscopy, e.g. scanning acoustic microscopy
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2418—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***及方法，所述***包括激光发射模块、激光分束/合束模块以及信号采集/扫描成像模块；激光分束/合束模块包括第一分束片、第一反射镜、斩波器、第二反射镜、第二分束片、光学延迟单元和涡旋玻片，第一分束片、第一反射镜、斩波器、第二反射镜、第二分束片依次相连，构成第一光学支路，第一分束片、光学延迟单元、涡旋玻片和第二分束片依次相连，构成第二光学支路；第一分束片与激光发射模块相连，第二分束片与信号采集/扫描成像模块相连。本发明可以实现对目标物体的超分辨光声成像，不仅可以实现非荧光团的超分辨显微，还不会对成像样品造成损伤，保证了结构成像和功能成像的真实性。

Description

基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***及方法
技术领域
本发明涉及一种基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***及方法，属于信号调制与解调和光声显微成像的技术领域。
背景技术
显微技术自从登上历史舞台，就在生命科学中发挥了关键作用。光学显微术，尤其是荧光显微术，能够研究细胞和生物组织的三维结构，并通过荧光标记以很高的特异性显现特定的生物分子，正是这些优势使显微技术广泛应用于生物学、医学等领域。然而，光学衍射极限的存在导致显微镜对空间特征小于探测波长一半的物体成像模糊。近二十年来，超分辨显微技术蓬勃兴起，基于不同原理的各种超分辨率显微技术被开发出来，旨在克服衍射极限。光学显微对比度来源于散射和荧光，它不能以足够的灵敏度成像非辐射的吸收对比，并且荧光标记需要繁复的染色步骤。大多数分子，尤其是生物组织中的分子，吸收特定波长的光子后，会通过非辐射弛豫产生热量，只有很少种类的分子产生强烈的辐射，如荧光。因此，以光学吸收作为对比度，可以成像更多种类的分子，并将显微术扩展到更广泛的应用。光声成像(Photoacoustic Imaging，PAI)技术的出现已经使吸收对比成像成为可能。
光声成像是近年来发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法。当脉冲激光照射到生物组织中时，组织的光吸收域将产生超声信号，这种由光激发产生的超声信号称为光声信号。生物组织产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息，通过探测光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。一般来说，在光声成像中需要用脉冲激光照射成像部位(热声成像则特指用无线电频率的脉冲激光进行照射)。一部分被吸收的光能将会被转化为热能，使附近的组织发生热弹性膨胀，从而形成宽带(兆赫兹级)的超声波发射。这一超声波可以用超声换能器检测，不同于超声造影的是，光声成像利用了体内不同组分吸收性质的不同。光声成像结合了光学成像的高对比度特征和超声成像的高穿透深度特征的优点，从原理上避开了光散射的影响，可以提供高分辨率和高对比度的组织成像。光声成像在检测模式、识别功能参数、技术方案以及可行性应用方面都有跨越式的发展。
传统光声成像是利用组织的光吸收对比，检测光声信号的幅值强度，重建吸收体的光学吸收分布。然而，像宽场光学显微镜一样，光学分辨率的光声显微镜(OR-PAM)的横向分辨率也受到光学衍射的限制。因此，实现超高分辨率的吸收对比成像成为目前超分辨领域中极具意义、亟待解决的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***，该***为基于光声效应、无荧光标记的新型超分辨显微技术，突破现有光声显微技术的光学衍射极限，可以实现对目标物体的超分辨光声成像，具体可以实现对饱和吸收物质的无标记超分辨光声成像，不仅可以实现非荧光团的超分辨显微，还不会对成像样品造成损伤，保证了结构成像和功能成像的真实性。
本发明的另一目的在于提供一种基于饱和吸收效应的超分辨光声成像方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***，包括激光发射模块、激光分束/合束模块以及信号采集/扫描成像模块；
所述激光分束/合束模块包括第一分束片、第一反射镜、斩波器、第二反射镜、第二分束片、光学延迟单元和涡旋玻片，所述第一分束片、第一反射镜、斩波器、第二反射镜、第二分束片依次相连，构成第一光学支路，所述第一分束片、光学延迟单元、涡旋玻片和第二分束片依次相连，构成第二光学支路；所述激光发射模块与第一分束片相连，所述第二分束片与信号采集/扫描成像模块相连。
进一步的，所述光学延迟单元包括第三反射镜、回射镜、一维平移导轨和第四反射镜，所述第一分束片、第三反射镜、回射镜、第四反射镜、涡旋玻片和第二分束片依次相连，构成第二光学支路，所述回射镜安装在一维平移导轨上。
进一步的，所述激光发射模块包括短脉冲激光器、第一透镜和第二透镜，所述短脉冲激光器、第一透镜、第二透镜和第一分束片依次相连。
进一步的，所述激光发射模块还包括针孔，所述针孔设置在第一透镜和第二透镜的共焦处。
进一步的，所述信号采集/扫描成像模块包括第五反射镜、物镜、超声探头、扫描平移台、前置放大器、锁相放大器和实验机，所述第二分束片、第五反射镜、物镜、超声探头、前置放大器、锁相放大器和实验机依次相连，所述超声探头设置在扫描平移台上，用于将光声信号转化为电信号。
进一步的，所述信号采集/扫描成像模块还包括滤波器，所述滤波器设置在超声探头和前置放大器之间。
进一步的，所述超声探头上放置有样品、载玻片和盖玻片，所述样品夹在载玻片与盖玻片之间，且载玻片与超声探头之间涂有超声耦合液。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于饱和吸收效应的超分辨光声成像方法，所述方法包括：
在激光发射模块中，短脉冲激光器产生一束激光，依次经过第一透镜、针孔和第二透镜，对激光束进行空间滤波、准直和扩束，获得高斯光束；
高斯光束进入激光分束/合束模块，被第一分束片分为两束激光，一束激光经过第一光学支路，被斩波器进行强度调制，形成调制高斯光束；另一束激光经过第二光学支路，由涡旋玻片转换成Laguerre-Gaussian模式光束；这两种不同模式的光束被第二分束片汇聚成一束；
汇聚后的光束进入信号采集/扫描成像模块，被物镜聚焦照射到样品上，激发出光声信号光声信号被超声探头转化为电信号，经过前置放大器进行电压放大，再将放大后的光声信号送入锁相放大器的检测信号输入端；同时锁相放大器的参考信号输入端接收与斩波器调制频率同频的TTL信号，锁相放大器提取出与斩波器调制频率对应的光声信号幅值；
在信号采集/扫描成像模块的实验机中，采集锁相放大器解调后的信号并保存在实验机中，控制扫描平移台对样品进行水平面方向上的二维平面扫描；扫描平移台每移动一步，经历与锁相放大器的积分时间相匹配的时间延迟之后，采集一次锁相放大器解调后的信号，二维平面扫描区域采集得到的光声信号与样品激发位置坐标一一对应。
进一步的，在第二光学支路中，光学延迟单元控制好两种不同模式的光脉冲照射到样品的时间差，使Laguerre-Gaussian模式光束先入射到样品表面，在处于激发态的粒子弛豫到基态之前，再使调制高斯光束入射到样品表面。
进一步的，所述超分辨光声成像的横向分辨率计算如下式：
Figure GDA0003732480610000031
其中，NA是成像物镜的数值孔径，NA＝nsinθ，ζ是饱和因子，表示Laguerre-Gaussian光强与饱和光强的比值。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的激光分束/合束模块可以由两条光学支路构成，分别为第一光学支路和第二光学支路，先将激光发射模块发射的激光将分成两束激光，一束激光经过第一光学支路，被斩波器强度调制，形成调制高斯光束，另一束激光经过第二光学支路，由于涡旋玻片的相位延迟作用，被转换成Laguerre-Gaussian模式光束，学延迟单元控制好两种不同模式的光脉冲照射到样品的时间差，使Laguerre-Gaussian模式光束先入射到样品表面，在处于激发态的粒子弛豫到基态之前，再使调制高斯光束入射到样品表面；这两种模式光合束之后共轴传播，因此焦点重合，成像样品需具备饱和吸收性质，由于饱和吸收效应，Laguerre-Gaussian模式光束照射下的样品区域(中空环形区域)发生饱和吸收，当调制高斯光束入射到样品后，仅仅高斯光束中心部分区域被样品吸收，除中心小区域外的大部分高斯光束几乎不被样品吸收而透射出去，使得信号采集/扫描成像模块提取到的信号仅仅是调制高斯光束的中心部分产生的光声信号，因此在横向上可以突破光学衍射极限，与传统的光声成像技术分辨率受激发原理和检测手段的限制，其成像分辨率被限制在光学成像衍射极限相比，打破传统光声成像受光学衍射极限的限制，丰富和拓展传统光声成像的信息提取能力。
2、本发明可以免除对生物样品的荧光标记，不仅可以实现非荧光团的超分辨显微，还具有无损性，保证了结构成像和功能成像的真实性。本发明还为活体或者在体的无荧光标记超分辨显微成像提供了可能性。使得本发明可以在临床检测和医学成像上体现出巨大优势。
3、本发明有潜力推广到光学前沿和医学领域，让其发挥出新型显微镜的真正价值，使本发明与当前科学发展趋势紧密结合，为材料检测、临床诊断和医学成像做出贡献。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例的基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***的结构示意图。
图2为本发明实施例的基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***的改善成像分辨率的原理示意图。
图3为本实施例得到的光声图像示意图。
图4为传统光声成像示意图。
其中，1-短脉冲激光器，2-第一透镜，3-针孔，4-第二透镜，5-第一分束片，6-第一反射镜，7-斩波器，8-第二反射镜，9-第二分束片，10-第三反射镜，11、回射镜，12、一维平移导轨，13-第四反射镜，14-涡旋玻片，15-第五反射镜，16-物镜，17-样品，18-载玻片，19-超声耦合液，20-超声探头，21-扫描平移台，22-滤波器，23-前置放大器，24-锁相放大器，25-实验机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
实施例的说明需结合附加图式来理解，实施例仅用以例示本发明可用以实施的特定实施例，不对本发明形成限制。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
实施例：
如图1所示，本实施例提供了一种基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***，该***包括激光发射模块、激光分束/合束模块以及信号采集/扫描成像模块。
激光发射模块的作用是产生高质量、大直径的准直高斯光束，其包括短脉冲激光器、第一透镜2和第二透镜4，短脉冲激光器1、第一透镜2和第二透镜4依次相连，短脉冲激光器1用于产生激光束，第一透镜2与第二透镜4组合将短脉冲激光器1产生的激光进行准直、扩束。
进一步地，激光发射模块还可包括针孔3，针孔3设置在第一透镜2和第二透镜4的共焦处，即短脉冲激光器1、第一透镜2、针孔3和第二透镜4依次相连，针孔3对短脉冲激光器1产生的激光进行空间滤波，以获得干净的、空间分布均匀的高斯光束。
激光分束/合束模块的结构与Mach-Zehnder干涉仪相似，激光分束/合束模块的作用是将激光发射模块发射的光束分为两束，其包括第一分束片5、第一反射镜6、斩波器7、第二反射镜8、第二分束片9、光学延迟单元和涡旋玻片14，涡旋玻片14设置在光学延迟单元和第二分束片9之间，其中第一分束片5、第一反射镜6、斩波器7、第二反射镜8、第二分束片9依次相连，构成第一光学支路，第一分束片5、光学延迟单元、涡旋玻片14和第二分束片9依次相连，构成第二光学支路；激光发射模块与第一分束片5相连，即短脉冲激光器1、第一透镜2、针孔3、第二透镜4和第一分束片5依次相连，激光发射模块发射出来的光束被第一分束片5分成两束激光，一束激光经过第一光学支路，被斩波器7强度调制，形成调制高斯光束，另一束激光经过第二光学支路，由于涡旋玻片14的相位延迟作用，这一束激光被转换成Laguerre-Gaussian模式光束，该Laguerre-Gaussian模式光束为具有甜甜圈形状的Laguerre-Gaussian模式光束，然后在第二分束片9上汇聚成一束。
在本实施例中，光学延迟单元的作用是使两种不同模式的光脉冲以固定的时间差先后照射到样品，其包括第三反射镜10、回射镜11、一维平移导轨12和第四反射镜13，第一分束片5、第三反射镜10、回射镜11、第四反射镜13、涡旋玻片14和第二分束片9依次相连，构成第二光学支路，本实施例的回射镜11采用角锥棱镜，其安装在一维平移导轨12上，回射镜11的作用是通过一维平移导轨12移动回射镜11的过程中也能使反射光线与入射光线完全平行。
光学延迟单元使两种不同模式的光脉冲以固定的时间差先后照射到样品，具体为：光学延迟单元控制好两种不同模式的光脉冲照射到样品的时间差，使Laguerre-Gaussian模式光束先入射到样品表面，在处于激发态的粒子弛豫到基态之前，再使调制高斯光束入射到样品表面；这两种模式光合束之后共轴传播，因此焦点重合，成像样品需具备饱和吸收性质，由于饱和吸收效应，Laguerre-Gaussian模式光束照射下的样品区域(中空环形区域)发生饱和吸收，当调制高斯光束入射到样品后，仅仅高斯光束中心部分区域被样品吸收，除中心小区域外的大部分高斯光束几乎不被样品吸收而透射出去。
信号采集/扫描成像模块包括第五反射镜15、物镜16、超声探头20、扫描平移台21、前置放大器23、锁相放大器24和实验机25，超声探头20设置在扫描平移台21上，扫描平移台21可以为采用步进电机驱动的二维扫描平台，第二分束片9与信号采集/扫描成像模块相连，即第二分束片9、第五反射镜15、物镜16、超声探头20、前置放大器23、锁相放大器24和实验机25依次相连。
进一步地，信号采集/扫描成像模块还可包括滤波器22，滤波器22设置在超声探头20和前置放大器22之间，即第二分束片9、第五反射镜15、物镜16、超声探头20、滤波器22、前置放大器23、锁相放大器24和实验机25，滤波器22能够滤除所述超声探头20带宽之外的高频噪声。
进一步地，超声探头20上放置有样品17、载玻片18和盖玻片，样品17夹在载玻片18与盖玻片之间，且样品17以范德瓦尔兹力吸附在载玻片18上，载玻片18贴在超声探头20上，且载玻片18与超声探头之间涂有超声耦合液19，用超声耦合液19填充，以匹配声阻抗、有效减小声衰减，扫描平移台21带动超声探头20和贴在超声探头20上的载玻片18，以实现对样品17的二维平面扫描。
在本实施例中，超声探头20、滤波器22、前置放大器23、锁相放大器24和实验机25构成了信号采集/扫描成像模块的信号采集部分，超声探头20能够将光声信号转化为电信号，具体通过压电效应将激发出的光声信号转化为电信号，然后经滤波器22滤除大部分高斯白噪声，再经前置放大器23进行电压放大后，通过锁相放大器24提取出斩波器7的调制频率对应的光声幅值，锁相放大器24提取的有效光声信号经GPIB通讯控制端口传入实验机25，其中锁相放大器24提取到的信号仅仅是调制高斯光束的中心部分产生的光声信号，因此在横向上可以突破光学衍射极限。
在本实施例中，实验机25可以采用计算机，含有LabVIEW数据采集和扫描控制程序以及用于图像重建的MATLAB程序，用LabVIEW程序采集GPIB通讯控制端口传来的数据，并可以控制步进电机驱动扫描平移台21，等间距逐点移动样品17，以实现对样品17的二维扫描；物镜16采用数值孔径为0.25的聚焦物镜；超声探头20采用高频超声探头，形状为直径11.2mm、高16mm的圆柱体，其主频为50MHz，80％带宽；锁相放大器采用SR830；短脉冲激光器1在本实施例中选用飞秒激光器，发出的脉冲激光波长为517nm，脉冲宽度为490fs，短脉冲激光器1本身的重复频率在25kHz～5MHz可调，本实施例中设定重复频率为300kHz。
在本实施例中，本实施例的基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***还可包括支架组件，支架组件用于固定和支撑第一透镜2、第二透镜4、针孔3、涡旋玻片14、第一分束片5、第二分束片9、斩波器7、第一反射镜6、第二反射镜8、第三反射镜10、第四反射镜13、第五反射镜15、回射镜11、物镜16、载玻片18、超声探头20和扫描平移台21，其中支撑扫描平移台21的是高度可调的一维平移台，便于调节样品17和物镜16之间的距离。
本实施例的基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***的改善成像分辨率的原理，如图2所示，若Laguerre-Gaussian模式光束的光强远小于饱和光强IS，Laguerre-Gaussian模式光束照射下的样品区域吸收的光子量与光强度成正比，光子吸收量的空间分布曲线与Laguerre-Gaussian模式光束的光强分布一致；当入射光强增大到一定程度后，分子自发吸收的饱和导致光子吸收量的空间分布曲线向中心及两侧展宽，使光子吸收量空间分布曲线的中心倾角变陡，这就导致样品对高斯光的吸收量大大降低，高斯光引起的自发吸收主要集中在高斯光束的中心区域，即高斯光吸收量分布曲线变得相当窄，基于饱和吸收效应的超分辨光声成像的分辨率定义为因Laguerre-Gaussian模式光束的饱和吸收而被压缩的窄高斯线型的半高全宽。
对于位于Laguerre-Gaussian模式光束照射下的圆环中心的分子，激光强度小于IS，光声信号随高斯光束光强线性变化，导致此处光声信号的调制深度最大；在环形带上，分子吸收大量Laguerre-Gaussian模式光束，分子强烈饱和，而对后来到达的高斯光的吸收很弱，导致环形带上的光声信号的调制深度很小。
在本实施例中，基于饱和吸收效应的超分辨光声成像的横向分辨率计算如下式：
Figure GDA0003732480610000071
其中，NA是成像物镜的数值孔径，NA＝nsinθ，ζ是饱和因子，表示Laguerre-Gaussian光强与饱和光强的比值，Laguerre-Gaussian模式光束光强越大，饱和因子越大，饱和吸收效应越明显，横向分辨能力越强。
本实施例还提供了一种基于饱和吸收效应的超分辨光声成像方法，该方法包括以下步骤：
S1、在激光发射模块中，短脉冲激光器1产生一束激光，依次经过第一透镜2、针孔3和第二透镜4，对激光束进行空间滤波、准直和扩束，获得高斯光束。
S2、高斯光束进入激光分束/合束模块，被第一分束片5分为两束激光，一束激光经过第一光学支路，被斩波器7进行强度调制，形成调制高斯光束；另一束激光经过第二光学支路，由涡旋玻片14转换成Laguerre-Gaussian模式光束；这两种不同模式的光束被第二分束片9汇聚成一束。
S3、汇聚后的光束进入信号采集/扫描成像模块，被物镜16聚焦照射到样品17上，激发出光声信号光声信号被超声探头20转化为电信号，经过前置放大器23进行电压放大，再将放大后的光声信号送入锁相放大器24的检测信号输入端；同时锁相放大器24的参考信号输入端接收与斩波器调制频率同频的TTL信号，锁相放大器24提取出与斩波器调制频率对应的光声信号幅值。
S4、在信号采集/扫描成像模块的实验机25中，利用LabVIEW程序采集锁相放大器解调后的信号并保存在实验机25中，LabVIEW程序控制扫描平移台21对样品17进行水平面方向上的二维平面扫描；扫描平移台21每移动一步，经历与锁相放大器24的积分时间相匹配的时间延迟之后，采集一次锁相放大器24解调后的信号，二维平面扫描区域采集得到的光声信号与样品17激发位置坐标一一对应。
本实施例通过上述步骤对MoS2片状晶体进行扫描后，得到的光声图像如图3所示，而传统光声成像如图4所示，可以看到打破传统光声显微成像受光学衍射极限的限制，丰富和拓展传统光声成像的信息提取能力。
综上所述，本发明的激光分束/合束模块可以由两条光学支路构成，分别为第一光学支路和第二光学支路，先将激光发射模块发射的激光将分成两束激光，一束激光经过第一光学支路，被斩波器强度调制，形成调制高斯光束，另一束激光经过第二光学支路，由于涡旋玻片的相位延迟作用，被转换成Laguerre-Gaussian模式光束，学延迟单元控制好两种不同模式的光脉冲照射到样品的时间差，使Laguerre-Gaussian模式光束先入射到样品表面，在处于激发态的粒子弛豫到基态之前，再使调制高斯光束入射到样品表面；这两种模式光合束之后共轴传播，因此焦点重合，成像样品需具备饱和吸收性质，由于饱和吸收效应，Laguerre-Gaussian模式光束照射下的样品区域(中空环形区域)发生饱和吸收，当调制高斯光束入射到样品后，仅仅高斯光束中心部分区域被样品吸收，除中心小区域外的大部分高斯光束几乎不被样品吸收而透射出去，使得信号采集/扫描成像模块提取到的信号仅仅是调制高斯光束的中心部分产生的光声信号，因此在横向上可以突破光学衍射极限，与传统的光声成像技术分辨率受激发原理和检测手段的限制，其成像分辨率被限制在光学成像衍射极限相比，打破传统光声成像受光学衍射极限的限制，丰富和拓展传统光声成像的信息提取能力。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***，其特征在于，包括激光发射模块、激光分束/合束模块以及信号采集/扫描成像模块；
所述激光分束/合束模块包括第一分束片、第一反射镜、斩波器、第二反射镜、第二分束片、光学延迟单元和涡旋玻片，所述第一分束片、第一反射镜、斩波器、第二反射镜、第二分束片依次相连，构成第一光学支路，所述第一分束片、光学延迟单元、涡旋玻片和第二分束片依次相连，构成第二光学支路；所述激光发射模块与第一分束片相连，所述第二分束片与信号采集/扫描成像模块相连；
所述激光发射模块包括短脉冲激光器、第一透镜、第二透镜和针孔，所述短脉冲激光器、第一透镜、第二透镜和第一分束片依次相连，所述针孔设置在第一透镜和第二透镜的共焦处。
2.根据权利要求1所述的超分辨光声成像***，其特征在于，所述光学延迟单元包括第三反射镜、回射镜、一维平移导轨和第四反射镜，所述第一分束片、第三反射镜、回射镜、第四反射镜、涡旋玻片和第二分束片依次相连，构成第二光学支路，所述回射镜安装在一维平移导轨上。
3.根据权利要求1-2任一项所述的超分辨光声成像***，其特征在于，所述信号采集/扫描成像模块包括第五反射镜、物镜、超声探头、扫描平移台、前置放大器、锁相放大器和实验机，所述第二分束片、第五反射镜、物镜、超声探头、前置放大器、锁相放大器和实验机依次相连，所述超声探头设置在扫描平移台上，用于将光声信号转化为电信号。
4.根据权利要求3所述的超分辨光声成像***，其特征在于，所述信号采集/扫描成像模块还包括滤波器，所述滤波器设置在超声探头和前置放大器之间。
5.根据权利要求3所述的超分辨光声成像***，其特征在于，所述超声探头上放置有样品、载玻片和盖玻片，所述样品夹在载玻片与盖玻片之间，且载玻片与超声探头之间涂有超声耦合液。
6.一种基于饱和吸收效应的超分辨光声成像方法，基于权利要求3-5任一项所述的超分辨光声成像***实现，其特征在于，所述方法包括：
在激光发射模块中，短脉冲激光器产生一束激光，依次经过第一透镜、针孔和第二透镜，对激光束进行空间滤波、准直和扩束，获得高斯光束；
高斯光束进入激光分束/合束模块，被第一分束片分为两束激光，一束激光经过第一光学支路，被斩波器进行强度调制，形成调制高斯光束；另一束激光经过第二光学支路，由涡旋玻片转换成Laguerre-Gaussian模式光束；这两种不同模式的光束被第二分束片汇聚成一束；在第二光学支路中，光学延迟单元控制好两种不同模式的光脉冲照射到样品的时间差，使Laguerre-Gaussian模式光束先入射到样品表面，在处于激发态的粒子弛豫到基态之前，再使调制高斯光束入射到样品表面；
汇聚后的光束进入信号采集/扫描成像模块，被物镜聚焦照射到样品上，激发出光声信号光声信号被超声探头转化为电信号，经过前置放大器进行电压放大，再将放大后的光声信号送入锁相放大器的检测信号输入端；同时锁相放大器的参考信号输入端接收与斩波器调制频率同频的TTL信号，锁相放大器提取出与斩波器调制频率对应的光声信号幅值；
在信号采集/扫描成像模块的实验机中，采集锁相放大器解调后的信号并保存在实验机中，控制扫描平移台对样品进行水平面方向上的二维平面扫描；扫描平移台每移动一步，经历与锁相放大器的积分时间相匹配的时间延迟之后，采集一次锁相放大器解调后的信号，二维平面扫描区域采集得到的光声信号与样品激发位置坐标一一对应。
7.根据权利要求6所述的超分辨光声成像方法，其特征在于，所述超分辨光声成像的横向分辨率计算如下式：
Figure FDA0003732480600000021
其中，NA是成像物镜的数值孔径，NA＝nsinθ，ζ是饱和因子，表示Laguerre-Gaussian光强与饱和光强的比值。
CN202011227123.0A 2020-11-06 2020-11-06 基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***及方法 Active CN112415096B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011227123.0A CN112415096B (zh) 2020-11-06 2020-11-06 基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011227123.0A CN112415096B (zh) 2020-11-06 2020-11-06 基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112415096A CN112415096A (zh) 2021-02-26
CN112415096B true CN112415096B (zh) 2022-09-16

Family

ID=74827083

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011227123.0A Active CN112415096B (zh) 2020-11-06 2020-11-06 基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112415096B (zh)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014011403A1 (en) * 2012-07-11 2014-01-16 The University Of Connecticut Dual-modality endoscope, method of manufacture, and use thereof
US9618445B2 (en) * 2013-12-09 2017-04-11 National Taiwan University Optical microscopy systems based on photoacoustic imaging
US11768182B2 (en) * 2019-04-26 2023-09-26 Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University Photoacoustic and optical microscopy combiner and method of generating a photoacoustic image of a sample
CN110755042B (zh) * 2019-10-21 2021-01-01 华中科技大学 实现大体积高分辨的时间脉冲光片断层成像方法及***

Also Published As

Publication number Publication date
CN112415096A (zh) 2021-02-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11029287B2 (en) Multi-focus optical-resolution photoacoustic microscopy with ultrasonic array detection
US9618445B2 (en) Optical microscopy systems based on photoacoustic imaging
US8454512B2 (en) Confocal photoacoustic microscopy with optical lateral resolution
US7346387B1 (en) Methods for improved selectivity in photo-activation and detection of molecular diagnostic agents
WO2021077708A1 (zh) 实现大体积高分辨的时间脉冲光片断层成像方法及***
CN106124469A (zh) 一种光声成像和光学成像多模态融合成像***
WO2007088709A1 (ja) 光音響断層撮影装置及び光音響断層撮影方法
CN112240880B (zh) 一种实现近共振增强的超分辨受激拉曼显微成像方法及装置
CN103018171B (zh) 宽频带无换能器光声和荧光双成像装置及其检测方法
Zhang et al. An ellipsoidal focused ultrasound transducer for extend-focus photoacoustic microscopy
CN112415096B (zh) 基于饱和吸收效应的超分辨光声成像***及方法
JP2013113804A (ja) 光音響顕微鏡
CN110584612B (zh) 用于血管成像的光学显微***
van Raaij et al. Femtosecond photoacoustics: integrated two-photon fluorescence and photoacoustic microscopy
He et al. In vivo imaging of a single erythrocyte with high-resolution photoacoustic microscopy
CN114010152B (zh) 基于双波长光声显微成像的血脑屏障损伤评估装置及方法
CN114098637B (zh) 一种大视场光声显微成像装置及方法
Liu et al. Continuous wave laser excitation based portable optoacoustic imaging system for melanoma detection
CN112535531B (zh) 一种生物组织焊接效果检测装置
CN211131008U (zh) 一种基于多光谱超声调制的乳腺肿瘤多模态成像装置
US20090114859A1 (en) Use of ZnO Nanocrystals For Imaging and Therapy
Shintate et al. High-speed optical resolution photoacoustic microscopy with a MEMS scanner: Novel and simple distortion correction method
Kim et al. High-speed wide-field photoacoustic microscopy with enhanced sensitivity
CN116879180A (zh) 基于径向偏振调制光束聚焦的光声显微成像***和方法
Chen et al. 2D photoacoustic scanning imaging with a single pulsed laser diode excitation

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant