中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
目前光聲成像（PAI）中用于探測超聲波的主流器件是基于壓電材料的超聲換能器，考慮到這類換能器的探測性能會隨器件尺寸的減小而大幅下降，科研者們近年來開始逐漸關(guān)注于小型化光學(xué)超聲傳感器的研究與開發(fā)。相較于傳統(tǒng)的壓電超聲換能器，這些小型化的光學(xué)超聲傳感器通常具備較寬的探測帶寬和與尺寸幾乎無關(guān)的高靈敏度，在推動更深和更高分辨率的PAI方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。
針對該領(lǐng)域研究進(jìn)展，中山大學(xué)、華東師范大學(xué)的研究團(tuán)隊進(jìn)行了綜述分析，簡要回顧了光學(xué)超聲傳感器的發(fā)展歷程，重點(diǎn)介紹了基于微型光學(xué)諧振腔的超聲傳感器以及并行尋址的最新方法，分析了光學(xué)超聲傳感器在光聲活體成像方面的應(yīng)用進(jìn)展，并對其未來發(fā)展進(jìn)行了展望。相關(guān)研究內(nèi)容以“小型化光學(xué)超聲傳感器及其在光聲成像中的應(yīng)用進(jìn)展”為題發(fā)表在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊上。
基于光學(xué)微諧振腔的光學(xué)超聲傳感器
近年來，微納加工工藝的發(fā)展使得具有高品質(zhì)因數(shù)的微米甚至納米尺度的光學(xué)諧振腔成為可能。結(jié)合了微型光學(xué)諧振腔和光學(xué)干涉測量方法的光學(xué)超聲傳感器通常具有高靈敏度、微型化等優(yōu)點(diǎn)。研究人員重點(diǎn)分析了三種基于不同微型光學(xué)諧振腔的光學(xué)超聲傳感器：法布里-珀羅諧振腔、π相移布拉格光柵諧振腔（π-BGs）和微環(huán)諧振器。早期的法布里-珀羅干涉儀將探測光束置于兩個平面鏡之間，由于超聲波的存在會改變諧振腔的光程，造成諧振腔的共振頻率隨之改變，因此通過記錄透射或反射光束的瞬態(tài)強(qiáng)度變化就能夠?qū)崿F(xiàn)超聲波信號的探測，目前基于該類光學(xué)干涉儀的超聲傳感器可以實(shí)現(xiàn)低至50 Pa的探測靈敏度和高達(dá)40 MHz的探測帶寬?；讦?BGs的光學(xué)超聲傳感器本質(zhì)上是在光纖或波導(dǎo)上加工而成的一維諧振腔體。在這些微型諧振腔中，光被限制在比布拉格光柵物理尺寸更小的維度內(nèi)。微環(huán)諧振腔具有高品質(zhì)因子、微型化和光透明等優(yōu)勢，迄今為止，文獻(xiàn)中已經(jīng)報道了使用聚合物、硅，甚至硫化物等材料制備的基于微環(huán)的光學(xué)超聲傳感器。
圖1 基于平凹光學(xué)諧振腔的超聲傳感器
圖2 基于π-BGs的點(diǎn)狀硅波導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)檢測器（SWED）
圖3 基于硅光體系的超聲探測器
大多數(shù)基于微型諧振腔的光學(xué)超聲傳感器都是單元素的，而在實(shí)際應(yīng)用中多元素的傳感器陣列可以極大地提高成像速度、提升成像視場和接收角度。盡管法布里-珀羅干涉儀本身是一個二維傳感器陣列，但該類傳感器陣列的并行尋址通常涉及光電探測器陣列的使用，大幅增加了電路復(fù)雜性且容易造成信號串?dāng)_。類似地，基于光纖光學(xué)的探測器陣列也需要相當(dāng)復(fù)雜的尋址系統(tǒng)。
圖4 基于微環(huán)傳感器陣列的并行尋址原理
光學(xué)超聲傳感器的成像應(yīng)用
憑借其卓越的性能，光學(xué)超聲傳感器已被初步用于PAI應(yīng)用中，如在光聲顯微成像（PAM）及對光聲內(nèi)窺鏡（PAE）中對單細(xì)胞、小鼠耳朵和小鼠大腦等進(jìn)行高分辨率成像，以及在成像深度高達(dá)8 mm的深層生物組織中對活體斑馬魚全身的光聲計算斷層掃描成像（PACT）。
圖5 全光學(xué)前視PAE傳感器
圖6 體外鴨胚的光聲圖像
圖7 小鼠腹部皮膚微血管的光聲圖像
圖8 使用usCCW進(jìn)行體內(nèi)PAM皮質(zhì)成像
圖9 通過usCCW對皮質(zhì)區(qū)域進(jìn)行長期的PAM成像
研究展望
與壓電超聲傳感器相比，基于微型諧振腔的光學(xué)超聲傳感器的主要優(yōu)勢在于保持微小尺寸的同時，而不犧牲靈敏度。然而，近期也有研究者們評論道，光學(xué)超聲傳感器目前所展現(xiàn)出來的性能優(yōu)勢并不足以讓其在各個PAI領(lǐng)域都替代已商業(yè)化的壓電超聲傳感器。誠然，由于PAM成像深度較淺且多數(shù)時候僅需要單個傳感器，光學(xué)超聲傳感器的大帶寬優(yōu)勢能夠通過提供更優(yōu)的軸向分辨率而得到體現(xiàn)。然而，PACT通常需要使用傳感器陣列來實(shí)現(xiàn)高速成像，光學(xué)超聲傳感器在并行尋址方面的缺失和問題此時便展現(xiàn)出來。同時，PACT由于成像深度較深的原因僅需對低頻超聲波進(jìn)行探測，光學(xué)超聲傳感器的大帶寬優(yōu)勢此時顯得毫無用武之地。此外，由于超聲波的探測通常處于遠(yuǎn)場，傳感器陣列中的元素只需跟超聲波遠(yuǎn)場時的半波長相匹配，并沒有對于微米甚至納米尺度片上傳感器的需求。
當(dāng)前，研究者們在光學(xué)超聲傳感器方面取得的創(chuàng)新成果已經(jīng)開始不斷突破超聲波的探測極限，雖然仍然存在許多問題和不確定因素，但這些研究成果必將推動PAI在實(shí)現(xiàn)更深和更高分辨率成像方面取得重要進(jìn)展。
