近日，Photonics Research 報(bào)道了廈門(mén)大學(xué)電子工程系何宏森、董俊教授團(tuán)隊(duì)獲得的新成果，相關(guān)工作“Hand-held laser for miniature photoacoustic microscopy: triggerable, millimeter scale, cost-effective, and functional”（Photonics Research 2025, 13, 6, 1637-1646) 展示了一種用于光聲顯微鏡的小型化固體激光器。這種脈沖泵浦的被動(dòng)調(diào)Q激光器不僅滿(mǎn)足光聲成像的光源參數(shù)，同時(shí)具有可觸發(fā)、尺寸小和成本低等優(yōu)點(diǎn)，有利于光聲顯微鏡的便攜式應(yīng)用。

該工作利用晶萃光學(xué)JCOPTIX提供的透鏡來(lái)搭建擴(kuò)束系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激發(fā)光源光斑尺寸與物鏡后焦面的精準(zhǔn)匹配。

光聲顯微鏡（PAM）作為一種無(wú)標(biāo)記成像技術(shù)，通過(guò)脈沖激光激發(fā)生物組織產(chǎn)生聲信號(hào)，兼具高分辨率、深層穿透和豐富光學(xué)對(duì)比度的優(yōu)勢(shì)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。其成像性能高度依賴(lài)于激發(fā)光源的四項(xiàng)核心特性：千赫茲重復(fù)頻率（>10 kHz）確保高速掃描同時(shí)避免信號(hào)混疊，納秒級(jí)脈寬（1–5 ns）平衡軸向分辨率與組織穿透深度，微焦耳級(jí)脈沖能量（1–10 μJ）克服組織散射與水吸收損耗，寬光譜覆蓋（200 nm–2 μm）實(shí)現(xiàn)血紅蛋白、脂質(zhì)及DNA等生物分子的特異性功能成像。

然而，當(dāng)前PAM系統(tǒng)的小型化和便攜化面臨光源瓶頸。盡管掃描、探測(cè)與采集單元已實(shí)現(xiàn)小型化，但激發(fā)光源仍存在顯著局限：光纖激光器一般需要額外的功率放大器；LED/LD脈寬普遍較寬；主動(dòng)調(diào)Q固體激光器（AQS-SSL）的長(zhǎng)腔體不利于短脈寬產(chǎn)生，而且一般需要高功率泵浦和水冷系統(tǒng)。基于此，團(tuán)隊(duì)提出使用被動(dòng)調(diào)Q固體激光器（PQS-SSL）：其毫米級(jí)腔長(zhǎng)利于產(chǎn)生短脈寬，單一振蕩器即可實(shí)現(xiàn)微焦耳脈沖能量，全晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)緊湊化和低成本，晶體的非線(xiàn)性效應(yīng)支持寬譜調(diào)諧。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)大幅優(yōu)化了由被動(dòng)調(diào)Q機(jī)制引起的脈沖時(shí)間抖動(dòng)問(wèn)題，滿(mǎn)足了激光器與PAM系統(tǒng)精確同步觸發(fā)的需求。

研究人員提出基于脈沖泵浦的PQS-SSL，通過(guò)精確調(diào)控泵浦脈沖的周期、占空比和功率，使輸出激光脈沖鎖定于泵浦脈沖邊緣，實(shí)現(xiàn)頻率鎖定。脈沖泵浦的原理如圖1(b)所示，脈沖泵浦相對(duì)于連續(xù)/準(zhǔn)連續(xù)泵浦提供了高峰值功率的短脈沖，使增益介質(zhì)中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度在可飽和吸收體的漂白閾值附近急劇上升（高增益斜率），顯著壓縮漂白過(guò)程在不確定性區(qū)間內(nèi)的持續(xù)時(shí)間，極大的降低了輸出激光脈沖的時(shí)序抖動(dòng)?；诿}沖泵浦的PQS-SSL的裝置示意圖如圖1(d)所示，電源為驅(qū)動(dòng)板供電，而驅(qū)動(dòng)板通過(guò)TTL信號(hào)調(diào)制產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的脈沖電流，脈沖電流使激光二極管產(chǎn)生脈沖泵浦光，脈沖泵浦光經(jīng)過(guò)兩個(gè)透鏡構(gòu)成的準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)后入射到激光諧振腔中，激光諧振腔由增益晶體、可飽和吸收體和非線(xiàn)性晶體組成，且諧振腔兩側(cè)鍍有透射和反射膜構(gòu)成法布里-珀羅（FP）腔。輸出的脈沖激光作為PAM中的激發(fā)光源，泵浦的TTL調(diào)制信號(hào)可直接作為PAM系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)。

該光源成功應(yīng)用于PAM系統(tǒng)（圖3(a)）并實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的成像結(jié)果。系統(tǒng)分辨率測(cè)試（圖3(b)和3(c)）表明，其橫向分辨率達(dá)到5.5 μm，接近理論值5.3 μm（由激光波長(zhǎng)和物鏡數(shù)值孔徑?jīng)Q定）；軸向分辨率為300 μm，與基于超聲換能器中心頻率計(jì)算的理論值292 μm高度吻合。圖3(d)和3(e)展示出光聲信號(hào)強(qiáng)度的穩(wěn)定性。利用USAF 1951分辨率板在10 kHz、15 kHz和20 kHz不同重頻下成像（圖5(g)），圖像質(zhì)量保持一致，驗(yàn)證了系統(tǒng)在變速掃描下的穩(wěn)定性。更重要的是，該激光器成功應(yīng)用于生物樣本成像。如圖3(f)所示，對(duì)斑馬魚(yú)幼體全身進(jìn)行掃描，清晰地揭示了其視網(wǎng)膜、卵黃囊、軀干等精細(xì)結(jié)構(gòu)。直徑7 μm的碳纖維樣本的成像結(jié)果（圖3(h)）也進(jìn)一步證實(shí)了PAM系統(tǒng)的高對(duì)比度和空間分辨率。為了展示其在功能性PAM中的應(yīng)用潛力，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步拓展了激光波長(zhǎng)。通過(guò)在激光腔內(nèi)插入YVO₄晶體，利用其拉曼頻移效應(yīng)，成功將輸出激光波長(zhǎng)擴(kuò)展至1176 nm（圖4(b)），該波長(zhǎng)位于脂質(zhì)的特征吸收峰附近。如圖6(d)所示，使用此1176 nm激光對(duì)牛肉切片進(jìn)行PAM成像，能夠清晰地區(qū)分并顯示出脂質(zhì)在肌肉組織中的分布，成像區(qū)域?yàn)? mm × 4 mm，步長(zhǎng)為20 μm。這一結(jié)果有力地證明了該脈沖泵浦PQS-SSL光源具備支持功能性光聲成像的能力。

為了展示其在功能性PAM中的應(yīng)用潛力，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步拓展了激光波長(zhǎng)。通過(guò)在激光腔內(nèi)插入YVO4晶體，利用其拉曼頻移效應(yīng)，成功將輸出激光波長(zhǎng)擴(kuò)展至1176 nm（圖4(b)），該波長(zhǎng)位于脂質(zhì)的特征吸收峰附近。如圖4(d)所示，使用此1176 nm激光對(duì)牛肉切片進(jìn)行PAM成像，能夠清晰地區(qū)分并顯示出脂質(zhì)在肌肉組織中的分布。這一結(jié)果有力地證明了該脈沖泵浦PQS-SSL光源具備功能性光聲成像的能力。

這項(xiàng)工作展示了一種基于脈沖泵浦的PQS-SSL，專(zhuān)為微型PAM系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)創(chuàng)新性采用射頻調(diào)制泵浦脈沖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出激光的重復(fù)頻率鎖定與時(shí)序抖動(dòng)抑制，解決了傳統(tǒng)被動(dòng)調(diào)Q激光器無(wú)法穩(wěn)定同步觸發(fā)的關(guān)鍵瓶頸。激光諧振腔采用全晶體結(jié)構(gòu)，在保持千赫茲重頻、納秒脈寬、微焦耳級(jí)脈沖能量與寬光譜的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)腔體尺寸與低成本制造。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該激光器在PAM中的高性能成像能力，并通過(guò)腔內(nèi)拉曼頻移拓展波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)了脂質(zhì)特異性功能成像。該激光器為手持式和可穿戴型PAM系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新路徑。

廈門(mén)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2024級(jí)碩博連讀生王漢捷為本文第一作者，董俊教授、何宏森助理教授為本文共同通訊作者。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，福建省自然科學(xué)基金，廈門(mén)市自然科學(xué)基金以及廈門(mén)大學(xué)校長(zhǎng)基金的支持。

作者特別感謝南京晶萃光學(xué)科技有限公司（JCOPTIX）提供的光學(xué)元件與儀器支持。