單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法，包括：將單個(gè)激光脈沖聚焦于一被測(cè)物體，當(dāng)激光脈沖寬度大于被測(cè)物體的壓力弛豫時(shí)間時(shí)，被測(cè)物體將產(chǎn)生雙非線性光聲信號(hào)。還公開了單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的裝置，包括：可調(diào)寬度的激光脈沖輸出裝置，其用于產(chǎn)生激光脈沖；聚焦透鏡，其將激光脈沖聚焦于被測(cè)物體上；超聲傳感器，聚焦透鏡設(shè)置在超聲傳感器的空腔中，被測(cè)物體設(shè)置在超聲傳感器空腔的一端口處，超聲傳感器用于檢測(cè)由激光脈沖誘導(dǎo)產(chǎn)生的雙非線性光聲信號(hào)。該發(fā)明能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中不能利用一個(gè)激光脈沖產(chǎn)生兩個(gè)非線性光聲信號(hào)的問題，相比于傳統(tǒng)的線性光聲技術(shù)，可以進(jìn)一步提高光聲檢測(cè)與成像技術(shù)的靈敏度和分辨率。
【專利說明】
單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于非線性光聲檢測(cè)與成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種單激光脈沖誘導(dǎo)雙非 線性光聲信號(hào)的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 光聲檢測(cè)與成像技術(shù)是最近在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域快速發(fā)展起來的一種新的混合成像 方法。光聲成像技術(shù)的原理是當(dāng)納秒級(jí)超短激光脈沖照射在被測(cè)物體以后，被測(cè)物體會(huì)吸 收一部分光能量，導(dǎo)致瞬態(tài)的溫度升高，從而發(fā)生熱脹冷縮的瞬態(tài)振動(dòng)。這樣的振動(dòng)可以激 發(fā)出超聲波即光聲信號(hào)，如果被測(cè)物體不同，產(chǎn)生的超聲波強(qiáng)度也不同。由于光聲信號(hào)的幅 值線性正比于被測(cè)物體的光學(xué)吸收系數(shù)，因此傳統(tǒng)的光聲檢測(cè)與成像技術(shù)可以用來檢測(cè)和 重構(gòu)出生物組織對(duì)特定/多個(gè)波長激光的吸收分布，從而進(jìn)行醫(yī)學(xué)檢測(cè)。關(guān)于光聲技術(shù)的綜 述性總結(jié)可以在最近幾年的學(xué)術(shù)論文中找到（Nature Photonics 3,503-509(2009); Science 335，1458-1462(2012))〇
[0003] 如上所述，傳統(tǒng)的光聲技術(shù)是基于對(duì)被測(cè)物體線性吸收特性的表征:光聲信號(hào)大 小與被測(cè)物體光吸收大小或者激發(fā)的激光功率大小呈線性變化。這就意味著在檢測(cè)過程 中，隨機(jī)的光強(qiáng)度變化或者傳感器接收位置的變化，就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的隨機(jī)變化和圖像的失 真。另外一個(gè)重要的問題是，當(dāng)被測(cè)物體的光吸收系數(shù)等于或者甚至小于背景的吸收系數(shù) 時(shí)（比如血液中的癌細(xì)胞，或者血糖分子），背景產(chǎn)生的光聲信號(hào)會(huì)等于或者大于被測(cè)物體 的信號(hào)，這樣就無法檢測(cè)出被測(cè)物體實(shí)際的光吸收系數(shù)。為了解決這個(gè)問題，最近幾年發(fā)展 出了可以激發(fā)出非線性光聲效應(yīng)的納米粒子(Nature Photonics 5,110-116(2011); Photoacoustics 3,20-25(2015))。當(dāng)激光強(qiáng)度達(dá)到一定的閾值之后，由于在微納尺度的氣 化現(xiàn)象，這些納米粒子可以產(chǎn)生非線性增加的光聲信號(hào)，這樣就可以把納米粒子從只有線 性吸收的背景中提取出來。另外一種光聲非線性效應(yīng)是通過連續(xù)的兩個(gè)脈沖激光來激發(fā)出 兩個(gè)光聲信號(hào)（Nature Photonics 9,126-132(2015) ;Physical Review Letters 113 (2014))。由于第一個(gè)脈沖激光導(dǎo)致被測(cè)物體溫度升高，從而提高了其熱膨脹系數(shù)，第二個(gè) 激光會(huì)誘導(dǎo)出更強(qiáng)烈的光聲信號(hào)。基于這個(gè)機(jī)理，可以發(fā)展出幾種有趣的應(yīng)用，比如超分辨 顯微成像和光聲誘導(dǎo)的在光散射介質(zhì)中的光學(xué)聚焦。如上所述的幾種非線性光聲信號(hào)產(chǎn) 生，都是基于一個(gè)脈沖激光產(chǎn)生一個(gè)光聲信號(hào)，或者兩個(gè)脈沖激光產(chǎn)生兩個(gè)光聲信號(hào)。到目 前為止，還沒有關(guān)于利用一個(gè)脈沖激光產(chǎn)生兩個(gè)非線性相關(guān)的光聲信號(hào)技術(shù)的學(xué)術(shù)論文和 專利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法及裝置，能夠解決現(xiàn)有技 術(shù)中不能利用一個(gè)激光脈沖產(chǎn)生兩個(gè)非線性光聲信號(hào)的問題。
[0005] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
[0006] 第一方面，本發(fā)明提供了一種單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法，包括:將 單個(gè)激光脈沖聚焦于一被測(cè)物體，當(dāng)激光脈沖寬度大于所述被測(cè)物體的壓力弛豫時(shí)間時(shí)， 所述被測(cè)物體將產(chǎn)生雙非線性光聲信號(hào)。
[0007]優(yōu)選的是，所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法，所述被測(cè)物體將產(chǎn) 生雙非線性光聲信號(hào)包括：
[0008]米用如下第一公式獲取第一光聲信號(hào)的強(qiáng)度P1，所述第一公式為:pi= r 〇rithya<i) δ t，其中，Φ是所述被測(cè)物體被照射的光強(qiáng)度，δ?是所述被測(cè)物體由于吸收光能量而導(dǎo)致溫 度瞬態(tài)升高的上升沿時(shí)間δ?，Γ 〇是Gruneisen系數(shù)，nth是所述被測(cè)物體吸收光能量轉(zhuǎn)換至 聲壓的轉(zhuǎn)換效率，是所述被測(cè)物體的光吸收強(qiáng)度；
[0009]采用如下第二公式獲取第二光聲信號(hào)的強(qiáng)度p2,所述第二公式為：
其中，Tth是所述被測(cè)物體的熱擴(kuò)散弛豫時(shí)間，α是被測(cè)物體的熱擴(kuò)散系數(shù)，b是從吸收 的熱量到Gruneisen系數(shù)提高的比率，Δ t是激光脈沖的寬度。
[0011] 優(yōu)選的是，所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法，若激光脈沖的寬度 A t〈〈所述被測(cè)物體的熱擴(kuò)散弛豫時(shí)間Tth，所述被測(cè)物體的熱擴(kuò)散忽略不計(jì)時(shí)，則所述第二 公式化簡為：P2= r〇nttjia<i) (δ?+Δ t)+(bnthya<i) a t)nthya<i)δ?。
[0012] 優(yōu)選的是，所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法，若激光脈沖的寬度 At大于等于所述被測(cè)物體的熱擴(kuò)散弛豫時(shí)間Tth，在激光脈沖時(shí)間內(nèi)所述被測(cè)物體由于熱 積累而增加的Gruneisen系數(shù)忽略不計(jì)時(shí)，則所述第二公式簡化為：
[0013]優(yōu)選的是，所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法，所述被測(cè)物體的光 聲非線性特性1^采用如下第三公式獲取，所述第三公式為：
[0014] 優(yōu)選的是，所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法，若激光脈沖的寬度 At大于等于所述被測(cè)物體的熱擴(kuò)散弛豫時(shí)間Tth，且增加激光脈沖重復(fù)頻率，即每秒N個(gè)脈 沖，則所述第一公式為:pi=( r〇+bnthya<i) δ tN)nthya<i) δ?，所述第二公式為：
[0015] 另一方面，本發(fā)明還提供了一種單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的裝置，包括：
[0016] 可調(diào)寬度的激光脈沖輸出裝置，其用于產(chǎn)生激光脈沖；
[0017] 聚焦透鏡，在其焦點(diǎn)處設(shè)置一被測(cè)物體，所述聚焦透鏡將所述可調(diào)寬度的激光脈 沖輸出裝置產(chǎn)生的激光脈沖聚焦于被測(cè)物體上；
[0018] 超聲傳感器，所述聚焦透鏡設(shè)置在所述超聲傳感器的空腔中，所述被測(cè)物體設(shè)置 在所述超聲傳感器空腔的一端口處，所述超聲傳感器用于檢測(cè)所述被測(cè)物體由激光脈沖誘 導(dǎo)產(chǎn)生的雙非線性光聲信號(hào)。
[0019] 優(yōu)選的是，所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的裝置，所述可調(diào)寬度的激 光脈沖輸出裝置包括：
[0020] 信號(hào)發(fā)生器，其用于產(chǎn)生可調(diào)寬度的脈沖信號(hào)；
[0021] 驅(qū)動(dòng)放大器，其連接至所述信號(hào)發(fā)生器，用于將所述信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號(hào) 進(jìn)行放大；
[0022] 激光二極管，其連接至所述驅(qū)動(dòng)放大器，用于產(chǎn)生可調(diào)寬度的激光脈沖。
[0023]優(yōu)選的是，所述的激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的裝置，還包括：
[0024] 去離子水，其設(shè)置在所述聚焦透鏡和所述被測(cè)物體之間，用于耦合激光脈沖和超 聲，所述去離子水設(shè)置在一個(gè)由透明聚乙烯薄膜制成的腔體中；
[0025] 透明玻璃，其設(shè)置在所述超聲傳感器的空腔與所述去離子水之間；
[0026] 其中，所述經(jīng)聚焦透鏡聚焦的激光脈沖依次經(jīng)過所述透明玻璃、所述去離子水以 及所述透明聚乙烯薄膜照射在所述被測(cè)物體上。
[0027]優(yōu)選的是，所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的裝置，還包括：
[0028]光纖耦合器，其連接所述激光二極管；
[0029]光纖，其一端連接所述光纖耦合器，另一端連接至所述超聲傳感器的空腔中，所述 激光二極管產(chǎn)生的激光脈沖經(jīng)過光纖耦合器進(jìn)入至所述光纖中。
[0030] 優(yōu)選的是，所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的裝置，還包括：
[0031] 低噪聲放大器，其連接所述超聲傳感器，所述超聲傳感器收集到的光聲信號(hào)經(jīng)過 所述低噪聲放大器進(jìn)行信號(hào)放大；
[0032] 轉(zhuǎn)換器，其連接所述低噪聲放大器，所述低噪聲放大器放大的信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換器后 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；
[0033]終端設(shè)備，其連接所述轉(zhuǎn)換器，用于接收所述轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù) 分析。
[0034] 本發(fā)明提供的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法及裝置：由于設(shè)置了可調(diào) 寬度的激光脈沖輸出裝置，可用于產(chǎn)生可調(diào)寬度的激光脈沖，將單個(gè)激光脈沖聚焦于一被 測(cè)物體，當(dāng)激光脈沖寬度大于所述被測(cè)物體的壓力弛豫時(shí)間時(shí)，所述被測(cè)物體將產(chǎn)生雙非 線性光聲信號(hào)，產(chǎn)生的雙非線性光聲信號(hào)可以應(yīng)用在多個(gè)方面，比如血糖檢測(cè)，血脂檢測(cè)， 以及納米粒子增強(qiáng)成像等，還可以用來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的光熱治療以及溫度控制。另外相比于傳 統(tǒng)的線性光聲技術(shù)，可以進(jìn)一步提高光聲檢測(cè)與成像技術(shù)的靈敏度和分辨率。本發(fā)明的另 外一種實(shí)現(xiàn)方式是利用工作在準(zhǔn)連續(xù)狀態(tài)的高重復(fù)頻率脈沖激光二極管，這可以進(jìn)一步提 高非線性光聲信號(hào)的信噪比。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本發(fā)明所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036] 圖2是在短激光脈沖和長激光脈沖情形下，產(chǎn)生的單光聲信號(hào)和雙非線性光聲信 號(hào)波形；
[0037] 圖3是在不同脈沖寬度下，兩個(gè)光聲信號(hào)強(qiáng)度的變化圖；
[0038] 圖4是在不同的激光平均功率的情況下，兩個(gè)光聲信號(hào)的強(qiáng)度變化，以及非線性比 例變化圖；
[0039] 圖5是對(duì)三種不同的樣品所做的雙非線性光聲測(cè)試的結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0041] 為使本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說 明。
[0042] 如圖1所示，本發(fā)明提供的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法，包括:將單 個(gè)激光脈沖聚焦于一被測(cè)物體，當(dāng)激光脈沖的寬度A t大于所述被測(cè)物體的壓力弛豫時(shí)間 時(shí)，所述被測(cè)物體將產(chǎn)生雙非線性光聲信號(hào)。
[0043] 需要說明的是:被測(cè)物體的壓力弛豫時(shí)間Ts = d/v，d是光聲信號(hào)源的尺寸，v是被 測(cè)物體的聲速。在傳統(tǒng)的納秒級(jí)激光脈沖誘導(dǎo)的光聲技術(shù)中，由于激光脈沖寬度△ t(納秒） 遠(yuǎn)小于被測(cè)物體的壓力弛豫時(shí)間（stress relaxation time)和熱擴(kuò)散弛豫時(shí)間（thermal relaxation time)以及瞬態(tài)的熱彈性膨脹與收縮，被激發(fā)的物體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)寬帶的脈沖光 聲信號(hào)。當(dāng)進(jìn)一步增大激光脈沖的寬度At并大于壓力弛豫時(shí)間^時(shí)，原先單個(gè)的光聲信號(hào) 會(huì)逐漸變?yōu)閮蓚€(gè)分開的光聲信號(hào)，第一個(gè)信號(hào)是由于被測(cè)物體吸熱膨脹導(dǎo)致的光聲信號(hào) P1，第二個(gè)信號(hào)是由于被測(cè)物體放熱收縮導(dǎo)致的光聲信號(hào)p2,并且與第一個(gè)信號(hào)有完全相反 的波形。
[0044] 進(jìn)一步的，所述被測(cè)物體將產(chǎn)生雙非線性光聲信號(hào)包括：
[0045]米用如下第一公式獲取第一光聲信號(hào)的強(qiáng)度pi，所述第一公式為:ρι= Γ 〇rithya<i) δ t，其中，Φ是所述被測(cè)物體被照射的光強(qiáng)度，δ?是所述被測(cè)物體由于吸收光能量而導(dǎo)致溫 度瞬態(tài)升高的上升沿時(shí)間δ?，Γ 〇是Gruneisen系數(shù)，nth是所述被測(cè)物體吸收光能量轉(zhuǎn)換至 聲壓的轉(zhuǎn)換效率，是所述被測(cè)物體的光吸收強(qiáng)度；
[0046]采用如下第二公式獲取第二光聲信號(hào)的強(qiáng)度?2，所述第二公式為：
其中，ith是所述被測(cè)物體的熱擴(kuò)散弛豫時(shí)間，α是被測(cè)物體的熱擴(kuò)散系數(shù)，b是從吸收 的熱量到Gruneisen系數(shù)提高的比率，Δ t是激光脈沖的寬度。
[0048]需要說明的是:第一光聲信號(hào)產(chǎn)生于激光脈沖剛開始照射被測(cè)物體溫度急劇升高 的階段（滿足絕熱膨脹條件），所以它的信號(hào)大小取決于被測(cè)物體被照射的光強(qiáng)度ΦΝ/ cm2)以及瞬態(tài)升高的上升沿時(shí)間δ?。由于放熱收縮導(dǎo)致的第二光聲信號(hào)會(huì)產(chǎn)生比第一光聲 信號(hào)更大的強(qiáng)度，出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因是被測(cè)物體在激光照射的過程中吸收了更多的激光 能量，以及由于溫度升高而導(dǎo)致更大的Gruneisen系數(shù)的提高（熱彈性系數(shù)提高）。但是，當(dāng) 激光脈沖的寬度繼續(xù)增加到大于熱擴(kuò)散的弛豫時(shí)間時(shí)（A t>Tth=d2/a，Tth是熱擴(kuò)散弛豫時(shí) 間，a是被測(cè)物體的熱擴(kuò)散系數(shù)），第二光聲信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)逐漸減小并接近于第一光聲信號(hào) 的強(qiáng)度。
[0049] 從所述第二公式可以得出，第二光聲信號(hào)的非線性主要來自于三個(gè)部分:第一個(gè) 是Gruneisen飽和效應(yīng)，反映了由于熱積累，溫度升高和飽和導(dǎo)致的Gruneisen系數(shù)的增加； 第二個(gè)是由于脈沖寬度的增加而導(dǎo)致的光總能量的增加;第三個(gè)是由于被測(cè)物體與周圍環(huán) 境的溫度差而導(dǎo)致的熱擴(kuò)散。其中，第一項(xiàng)Gruneisen飽和項(xiàng)是由熱積累和擴(kuò)散積分而得到 的<
[0050] 進(jìn)一步的，若激光脈沖的寬度Δ t〈〈所述被測(cè)物體的熱擴(kuò)散弛豫時(shí)間τ t h，
，在高功率激光下光強(qiáng)度φ很大(峰值功率大于1萬瓦），所述被測(cè)物體的熱擴(kuò) 散在較短的激光脈沖時(shí)間里可以忽略不計(jì)，且由于大的光強(qiáng)度，Gruneisen飽和效應(yīng)會(huì)比較 顯著，則所述第二公式化簡為:P2= rQnttjia<i) (δ?+Δ t)+(bnthya<i) δ t)nthya<i)δ?。
[0051] 需要說明的是，第二公式簡化后的情況類似于利用連續(xù)兩個(gè)短脈沖來激發(fā)出非線 性光聲效應(yīng)的方法(Nature Photonics 2015)。而使用本發(fā)明提出的方法，利用一個(gè)激光脈 沖即可產(chǎn)生類似的非線性光聲效應(yīng)，可以大大簡化系統(tǒng)成本和復(fù)雜度。
[0052] 進(jìn)一步的，若激光脈沖的寬度At大于等于所述被測(cè)物體的熱擴(kuò)散弛豫時(shí)間ith，在 激光脈沖時(shí)間內(nèi)所述被測(cè)物體由于熱積累而增加的Gruneisen系數(shù)忽略不計(jì)時(shí)，則所述第 二公式簡化為：
[0053]需要說明的是，當(dāng)激光脈沖的寬度At大于等于所述被測(cè)物體的熱擴(kuò)散弛豫時(shí)間 ith，采用低功率激光二極管，Φ很小(峰值功率小于1瓦）。這種情況下，隨著激光脈沖寬度的 增加，熱擴(kuò)散變得越來越顯著。另外，由于激光二極管產(chǎn)生的光強(qiáng)度很低，從而在脈沖時(shí)間 內(nèi)由于熱積累而增加的Grune i s en飽和系數(shù)可以忽略。
[0054]進(jìn)一步的，所述被測(cè)物體的光聲非線性特性Rnl采用如下第三公式獲取，所述第三 公式為：
[0055]需要說明的是，在低功率激光二極管照射的情況下，隨著激光脈沖寬度的增加，第 二光聲信號(hào)會(huì)由于光能量的積累而逐漸增大，然后由于更加顯著的熱擴(kuò)散而導(dǎo)致信號(hào)逐漸 減小。一個(gè)最直接表征第二光聲信號(hào)P2非線性的方法就是掃描激光脈沖的寬度來觀察口2的 幅值大小。在一個(gè)關(guān)鍵脈沖寬度下A tk，p2信號(hào)的幅值會(huì)從增加過渡到減小，這個(gè)脈沖寬度 即可拿來表征被測(cè)物體的光聲非線性特性。為了避免掃描激光脈沖寬度，加快表征速度，也 可以直接計(jì)算第二光聲信號(hào)P2和第一光聲信號(hào) ?1的比值Rnl，來表征這種非線性特性。
[0056]值得一提的是，在固定的激光脈沖寬度下，Rnl只跟被測(cè)物體的熱弛豫時(shí)間有關(guān)。相 比于第一公式表達(dá)的線性光聲信號(hào)，這里的非線性比值Rnl不受外界環(huán)境隨機(jī)變化因素的影 響，比如未知的光強(qiáng)度分布，未知的檢測(cè)靈敏度以及未知的光吸收系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)可靠且靈 敏的檢測(cè)。另外，R nl提供了基于熱擴(kuò)散強(qiáng)度的對(duì)比度，可以將傳統(tǒng)的基于光吸收對(duì)比度的光 聲技術(shù)拓展為多維對(duì)比度的檢測(cè)技術(shù)。這種方法在幾種光聲靈敏檢測(cè)的應(yīng)用中可預(yù)期會(huì)有 更好的效果，比如血糖檢測(cè)，血脂檢測(cè)，以及納米粒子增強(qiáng)成像。
[0057] 進(jìn)一步的，若激光脈沖的寬度At大于等于所述被測(cè)物體的熱擴(kuò)散弛豫時(shí)間Tth，且 增加激光脈沖重復(fù)頻率，即每秒N個(gè)脈沖，則所述第一公式為:pi = ( r〇+bnthya<i) δ tN)nthya Φ St，所述第二公式為：
[0058] 需要說明的是，若激光脈沖的寬度At大于等于所述被測(cè)物體的熱擴(kuò)散弛豫時(shí)間 ith，單個(gè)激光脈沖內(nèi)沒有很明顯的熱積累效應(yīng)，當(dāng)增加激光脈沖的重復(fù)頻率后(每秒N個(gè)脈 沖），會(huì)導(dǎo)致長時(shí)間的熱積累和溫度的升高。第一光聲信號(hào)強(qiáng)度 P1和第二光聲信號(hào)強(qiáng)度?2的 大小會(huì)隨著激光重復(fù)頻率的增加(絕對(duì)溫度升高，Gruneisen系數(shù)增大)而增大。在這種情況 下，Gruneisen飽和效應(yīng)改為線性效應(yīng)(b%hy a(i) Δ tN)，隨著激光脈沖頻率(總的平均功率） 而線性增加。從簡化后的公式可以看出，在一定的激光脈沖寬度下，激光重復(fù)頻率的增加會(huì) 導(dǎo)致平均功率增加，以及絕對(duì)溫度的升高，從而線性的增大兩個(gè)光聲信號(hào)。然而，根據(jù)第三 公式，它們之間的比值會(huì)保持不變。利用其對(duì)溫度的靈敏性以及單個(gè)低成本的激光二極管， 本發(fā)明也可以用來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的光熱治療以及溫度控制。
[0059] 另一方面，如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲 信號(hào)的裝置，包括:可調(diào)寬度的激光脈沖輸出裝置，其用于產(chǎn)生激光脈沖;聚焦透鏡7,在其 焦點(diǎn)處設(shè)置一被測(cè)物體13,所述聚焦透鏡7將所述可調(diào)寬度的激光脈沖輸出裝置產(chǎn)生的激 光脈沖聚焦于被測(cè)物體13上;超聲傳感器9,所述聚焦透鏡7設(shè)置在所述超聲傳感器9的空腔 中，所述被測(cè)物體13設(shè)置在所述超聲傳感器9空腔的一端口處，所述超聲傳感器9用于檢測(cè) 所述被測(cè)物體13由激光脈沖誘導(dǎo)產(chǎn)生的雙非線性光聲信號(hào)。
[0060] 采用可調(diào)寬度得激光脈沖輸出裝置，使其產(chǎn)生的激光脈沖寬度可調(diào)，便于實(shí)施該 發(fā)明實(shí)施例提供的方法。
[0061] 需要說明的是，超聲傳感器可以選擇單個(gè)超聲單元，或者由多個(gè)超聲單元組成的 陣列。如果選擇超聲陣列，需要配置一個(gè)多路選擇器來實(shí)現(xiàn)每個(gè)超聲單元逐一信號(hào)采集，具 體采用哪種，在這里并不做具體限定，可以根據(jù)實(shí)際情況來決定。根據(jù)不同的應(yīng)用，超聲頻 率可以選擇1~20MHz。
[0062] 進(jìn)一步的，所述可調(diào)寬度的激光脈沖輸出裝置包括:信號(hào)發(fā)生器1，其用于產(chǎn)生可 調(diào)寬度的脈沖信號(hào)；驅(qū)動(dòng)放大器2,其連接至所述信號(hào)發(fā)生器1，用于將所述信號(hào)發(fā)生器1產(chǎn) 生的脈沖信號(hào)進(jìn)行放大;激光二極管3，其連接至所述驅(qū)動(dòng)放大器2，用于產(chǎn)生可調(diào)寬度的激 光脈沖。
[0063] 其中，信號(hào)發(fā)生器也可以由可編程邏輯門陣列FPGA來代替，具體采用哪種，本發(fā)明 實(shí)施例不做限定。
[0064] 其中，激光二極管的波長可以選擇從500nm到2000nm之間的波長，根據(jù)不同的被測(cè) 物體選擇不同的測(cè)試波長。比如，測(cè)量血液的話，可以選擇波長在550-600nm之間，這樣血液 有較強(qiáng)的光吸收。對(duì)于脂類檢測(cè)，可以選擇1210nm附近的波長，可以最大化脂類相對(duì)于血液 的吸收強(qiáng)度。激光強(qiáng)度可以選擇在保證安全的情況下，盡量大的功率來增強(qiáng)信噪比。
[0065]本發(fā)明實(shí)施例可以利用高重復(fù)頻率的脈沖激光二極管，比如重復(fù)頻率在10 -100kHz，脈沖寬度100ns。在這種情況下，高重復(fù)頻率的脈沖序列可以很好的在被測(cè)物體中 產(chǎn)生熱積累(類似于連續(xù)激光），同時(shí)可以得到相比于連續(xù)激光器更高信噪比的光聲信號(hào)。
[0066] 進(jìn)一步的，所述的激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的裝置，還包括:去離子水11， 其設(shè)置在所述聚焦透鏡7和所述被測(cè)物體13之間，用于耦合激光脈沖和超聲，所述去離子水 11設(shè)置在一個(gè)由透明聚乙烯薄膜12制成的腔體中；透明玻璃10,其設(shè)置在所述超聲傳感器9 的空腔與所述去離子水11之間；其中，所述經(jīng)聚焦透鏡聚焦的激光脈沖依次經(jīng)過所述透明 玻璃10、所述去離子水11以及所述透明聚乙烯薄膜12照射在所述被測(cè)物體13上。
[0067] 進(jìn)一步的，所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的裝置，還包括:光纖耦合器 4，其連接所述激光二極管3;光纖5，其一端連接所述光纖耦合器4，另一端連接至所述超聲 傳感器的空腔中，所述激光二極管3產(chǎn)生的激光脈沖經(jīng)過光纖耦合器4進(jìn)入至所述光纖5中。
[0068] 其中，光纖為多模光纖或者單模光纖，在此不做具體的限定。
[0069] 進(jìn)一步的，所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的裝置，還包括:低噪聲放大 器14,其連接所述超聲傳感器9,所述超聲傳感器9收集到的光聲信號(hào)經(jīng)過所述低噪聲放大 器14進(jìn)行信號(hào)放大;轉(zhuǎn)換器15,其連接所述低噪聲放大器14,所述低噪聲放大器14放大的信 號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換器15后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);終端設(shè)備16,其連接所述轉(zhuǎn)換器，用于接收所述轉(zhuǎn)換器 傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
[0070] 其中，轉(zhuǎn)換器為示波器或者數(shù)據(jù)采集卡，終端設(shè)備為計(jì)算機(jī)或者手機(jī)，在此也不做 具體限定。
[0071 ]整個(gè)裝置的具體工作過程為：
[0072]由信號(hào)發(fā)生器1(或者可編程邏輯門陣列FPGA)產(chǎn)生的可調(diào)寬度脈沖（1~lOOOus) 信號(hào)連接驅(qū)動(dòng)放大器2，驅(qū)動(dòng)放大器將輸入信號(hào)放大，并產(chǎn)生大的電流輸出，輸出的大電流 傳輸至激光二極管3,從而產(chǎn)生可調(diào)寬度的脈沖激光。由激光二極管發(fā)出的激光脈沖通過光 纖耦合器4導(dǎo)入光纖5中，光纖的輸出端通過聚焦透鏡7將光斑聚焦于被測(cè)物體13,光斑大小 根據(jù)實(shí)際空間分辨率的要求進(jìn)行調(diào)整（1mm~lum)。聚焦透鏡7放置于超聲傳感器9中部的空 腔8中。超聲傳感器9用來檢測(cè)激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的兩個(gè)光聲信號(hào)。空腔與去離子水11由透明玻 璃10隔開。去離子水位于由透明聚乙烯薄膜12制成的腔體中，去離子水的作用是用來同時(shí) 耦合激光和超聲，而聚乙烯薄膜可以很好的耦合從被測(cè)物體13發(fā)出的光聲信號(hào)。由超聲傳 感器收集到的信號(hào)連接低噪聲放大器14進(jìn)行信號(hào)放大，然后連接示波器或者數(shù)據(jù)采集卡15 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后傳輸?shù)诫娔X或者手機(jī)16等其他終端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，處理以及顯示和 人機(jī)交互。
[0073]下面，本發(fā)明實(shí)施例選擇不同的被測(cè)物體對(duì)本發(fā)明實(shí)施例所提供的方法和裝置進(jìn) 行說明。
[0074] 實(shí)施例一
[0075]被測(cè)物體選擇為黑色的橡膠導(dǎo)線，是因?yàn)槠溆邢鄬?duì)較強(qiáng)的光吸收系數(shù)，以及較大 的熱擴(kuò)散弛豫時(shí)間。作為比較觀察，利用短激光脈沖也產(chǎn)生了單個(gè)光聲信號(hào)。利用lus的激 光脈沖，如圖2a所示，傳統(tǒng)的短激光脈沖只能產(chǎn)生一個(gè)光聲信號(hào)，如圖2c所示。另一方面，利 用l〇us的激光脈沖，如圖2b所示，我們可以觀察到兩個(gè)光聲信號(hào)，如圖2d所示?？梢钥闯觯瑑?個(gè)光聲信號(hào)分別產(chǎn)生于激光脈沖的上升沿和下降沿，并且它們之間的時(shí)間延遲等于脈沖的 寬度(10us)。兩個(gè)光聲信號(hào)的波形高度相關(guān)，然而擁有相反的相位，這是由于它們是來自于 同一個(gè)被測(cè)物體，第一光聲信號(hào)是由于升溫膨脹導(dǎo)致(正相位），第二光聲信號(hào)是由于降溫 收縮導(dǎo)致(負(fù)相位）。另外，第二光聲信號(hào)的幅值要大于第一光聲信號(hào)的幅值，這是由于在激 光脈沖的時(shí)間段內(nèi)（小于關(guān)鍵脈沖寬度A tk)，熱積累的速度大于熱擴(kuò)散的速度，從而導(dǎo)致 更大的瞬態(tài)溫度差，進(jìn)而產(chǎn)生更強(qiáng)的光聲信號(hào)。
[0076] 更進(jìn)一步掃描激光的脈沖寬度，掃面范圍為6us到900us(6us以下兩個(gè)光聲信號(hào)會(huì) 重合），兩個(gè)光聲信號(hào)的幅值如圖3?？梢钥闯?，第一光聲信號(hào)的幅值隨著脈沖寬度的增加基 本不變，這是因?yàn)樗a(chǎn)生于最初的瞬態(tài)溫度升高與熱膨脹，與激光脈沖時(shí)間內(nèi)的熱積累與 擴(kuò)散沒有關(guān)系。相反，第二光聲信號(hào)會(huì)隨著脈沖寬度的增加而有所變化。在小于l〇us的時(shí) 候，幅值增加，在10到20us的時(shí)候，幅值基本保持不變，在大于20us的時(shí)候，幅值減小并接近 于第一光聲信號(hào)。
[0077] 另外，本發(fā)明實(shí)施例所產(chǎn)生的兩個(gè)光聲信號(hào)還跟被測(cè)物體的絕對(duì)溫度有關(guān)，從下 述公式可以看出，若激光脈沖的寬度At大于等于所述被測(cè)物體的熱擴(kuò)散弛豫時(shí)間T th，且增 加激光脈沖重復(fù)頻率，即每秒N個(gè)脈沖，第一公式化簡為:pi = ( r 〇+bnthya Φ δ tN)nthya Φ St， 第二公式化簡為為：
。所以，通過掃描脈沖激 光(脈沖寬度l〇us，峰值功率1W)的重復(fù)頻率（100~1900Hz)，可以實(shí)現(xiàn)平均功率從1到19毫 瓦的掃描。從圖4a可以看出兩個(gè)光聲信號(hào)幅值會(huì)隨著平均功率的增加而增大。然而，它們之 間的非線性比值卻基本不變，如圖4b所示，符合第三公式的預(yù)期。
[0078] 實(shí)施例二
[0079]為了展示本發(fā)明中所提出的非線性光聲技術(shù)在區(qū)分不同樣品的對(duì)比度方面優(yōu)于 現(xiàn)有的線性光聲技術(shù)，在這個(gè)實(shí)施例中，準(zhǔn)備了三種不同的樣品（黑墨水，納米金棒，IR825 染料)分別放入相同的塑料細(xì)管中。這些樣品在808納米波長激光的照射下都有很強(qiáng)而且類 似的線性吸收系數(shù)。從圖5b中可以看出，三種樣品由于線性吸收產(chǎn)生的第一個(gè)光聲信號(hào)的 幅值幾乎一樣(20毫伏）。然而，由非線性效應(yīng)導(dǎo)致的第二光聲信號(hào)的幅值卻大不一樣。將兩 個(gè)信號(hào)的幅值相減，我們可以得到三種樣品光聲信號(hào)非線性增強(qiáng)的比較圖，圖5c所示?？梢?看出，非線性增強(qiáng)的部分可以更好的區(qū)分三種不同的樣品（對(duì)比度>300%)，而線性光聲的 對(duì)比度小于5%。這個(gè)實(shí)例很好的體現(xiàn)出本發(fā)明中所提的雙非線性光聲技術(shù)可以非常好的 區(qū)分不同的樣品，尤其是當(dāng)傳統(tǒng)的線性光聲無法很好的區(qū)分的時(shí)候。
[0080] 本發(fā)明實(shí)施例所提出的單激光脈沖產(chǎn)生雙非線性光聲信號(hào)的方法及裝置將會(huì)對(duì) 多個(gè)重要的應(yīng)用起到推動(dòng)作用，包括:雙對(duì)比度的光/熱成像，高靈敏度的無損血糖、血脂檢 測(cè)，納米粒子增強(qiáng)的光聲成像，閉環(huán)控制的光熱治療與光聲溫度控制，縱向分辨率增強(qiáng)的光 聲成像，利用雙光聲信號(hào)高度相關(guān)性實(shí)現(xiàn)對(duì)比度增強(qiáng)的光聲成像，以及光身信號(hào)誘導(dǎo)的散 射介質(zhì)中的光學(xué)聚焦等等。然而，本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】和應(yīng)用范圍并不局限于以上實(shí)例。 任何利用到本發(fā)明的基本原理所作的改變，修飾，替代，組合，簡化，均為等效的置換方式， 都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0081] 盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列 運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的，領(lǐng)域，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易 地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不 限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法，其特征在于，包括:將單個(gè)激光脈沖 聚焦于一被測(cè)物體，當(dāng)激光脈沖寬度大于所述被測(cè)物體的壓力弛豫時(shí)間時(shí)，所述被測(cè)物體 將產(chǎn)生雙非線性光聲信號(hào)。2. 如權(quán)利要求1所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法，其特征在于，所述被 測(cè)物體將產(chǎn)生雙非線性光聲信號(hào)包括： 米用如下第一公式獲取第一光聲信號(hào)的強(qiáng)度pi，所述第一公式為:Pi= ΓοΠι^μL?Φδ?：，其 中，Φ是所述被測(cè)物體被照射的光強(qiáng)度，St是所述被測(cè)物體由于吸收光能量而導(dǎo)致溫度瞬 態(tài)升高的上升沿時(shí)間δ?，Γ ο是Gruneisen系數(shù)，nth是所述被測(cè)物體吸收光能量轉(zhuǎn)換至聲壓 的轉(zhuǎn)換效率，是所述被測(cè)物體的光吸收強(qiáng)度； f田加下笛一 /A忒莽取笛一 t畝佶縣的踞齒.靳祙笛一 /A忒*.其中，Tth是所述被測(cè)物體的熱擴(kuò)散弛豫時(shí)間，α是被測(cè)物體的熱擴(kuò)散系數(shù)，b是從吸收的 熱量到Gruneisen系數(shù)提高的比率，Δ t是激光脈沖的寬度。3. 如權(quán)利要求2所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法，其特征在于，若激光 脈沖的寬度△ t〈〈所述被測(cè)物體的熱擴(kuò)散弛豫時(shí)間Tth，所述被測(cè)物體的熱擴(kuò)散忽略不計(jì)時(shí)， 則所述第二公式化簡為:P2= rQnttjia<i) (δ?+Δ t)+(bnthya<i) δ t)nthya<i)δ?。4. 如權(quán)利要求2所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法，其特征在于，若激光 脈沖的寬度A t大于等于所述被測(cè)物體的熱擴(kuò)散弛豫時(shí)間Tth，在激光脈沖時(shí)間內(nèi)所述被測(cè) 物體由于熱積累而增加的Gruneisen系數(shù)忽略不計(jì)時(shí)，則所述第二公式簡化為：5. 如權(quán)利要求2所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法，其特征在于，所述被 測(cè)物體的光聲非線性特性Rnl采用如下第三公式獲取，所述第三公式為：6. 如權(quán)利要求2所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的方法，其特征在于，若激光 脈沖的寬度△ t大于等于所述被測(cè)物體的熱擴(kuò)散弛豫時(shí)間Tth，且增加激光脈沖重復(fù)頻率，即 每秒N個(gè)脈沖，則所述第一公式為:m=( r〇+bnthya<i) Δ?Ν)τΜμ3φδ?，所述第二公式為：7. -種單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的裝置，其特征在于，包括： 可調(diào)寬度的激光脈沖輸出裝置，其用于產(chǎn)生激光脈沖； 聚焦透鏡，在其焦點(diǎn)處設(shè)置一被測(cè)物體，所述聚焦透鏡將所述可調(diào)寬度的激光脈沖輸 出裝置產(chǎn)生的激光脈沖聚焦于被測(cè)物體上； 超聲傳感器，所述聚焦透鏡設(shè)置在所述超聲傳感器的空腔中，所述被測(cè)物體設(shè)置在所 述超聲傳感器空腔的一端口處，所述超聲傳感器用于檢測(cè)所述被測(cè)物體由激光脈沖誘導(dǎo)產(chǎn) 生的雙非線性光聲信號(hào)。8. 如權(quán)利要求7所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的裝置，其特征在于，所述可 調(diào)寬度的激光脈沖輸出裝置包括： 信號(hào)發(fā)生器，其用于產(chǎn)生可調(diào)寬度的脈沖信號(hào)； 驅(qū)動(dòng)放大器，其連接至所述信號(hào)發(fā)生器，用于將所述信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行 放大； 激光二極管，其連接至所述驅(qū)動(dòng)放大器，用于產(chǎn)生可調(diào)寬度的激光脈沖。9. 如權(quán)利要求7所述的激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的裝置，其特征在于，還包括： 去離子水，其設(shè)置在所述聚焦透鏡和所述被測(cè)物體之間，用于耦合激光脈沖和超聲，所 述去離子水設(shè)置在一個(gè)由透明聚乙烯薄膜制成的腔體中； 透明玻璃，其設(shè)置在所述超聲傳感器的空腔與所述去離子水之間； 其中，所述經(jīng)聚焦透鏡聚焦的激光脈沖依次經(jīng)過所述透明玻璃、所述去離子水以及所 述透明聚乙烯薄膜照射在所述被測(cè)物體上。10. 如權(quán)利要求8所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的裝置，其特征在于，還包 括： 光纖耦合器，其連接所述激光二極管； 光纖，其一端連接所述光纖耦合器，另一端連接至所述超聲傳感器的空腔中，所述激光 二極管產(chǎn)生的激光脈沖經(jīng)過光纖耦合器進(jìn)入至所述光纖中。11. 如權(quán)利要求7所述的單激光脈沖誘導(dǎo)雙非線性光聲信號(hào)的裝置，其特征在于，還包 括： 低噪聲放大器，其連接所述超聲傳感器，所述超聲傳感器收集到的光聲信號(hào)經(jīng)過所述 低噪聲放大器進(jìn)行信號(hào)放大； 轉(zhuǎn)換器，其連接所述低噪聲放大器，所述低噪聲放大器放大的信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換 為數(shù)字信號(hào)； 終端設(shè)備，其連接所述轉(zhuǎn)換器，用于接收所述轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
【文檔編號(hào)】G01N21/17GK106018283SQ201610300222
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月9日
【發(fā)明人】高飛, 段麗莎
【申請(qǐng)人】高飛