光声显微镜结合了光激发和超声探测的优点，在生物和医学领域有广泛的应用。在生物组织中激发声波，需要针对不同物质对光的吸收，选择相应波长的脉冲光束。功能性光声显微镜是一种重要的光声成像技术，它需要具有多种波长的激发光源同时识别生物体中的不同物质。在生物体中，水分和脂质是重要的组成部分，约占人体组织的60-80%，并且影响着细胞的不同功能。例如，脂质的含量和分布是研究动脉粥样硬化和癌症等疾病的重要标志物，而研究水分的含量可以帮助我们了解细胞、组织和器官的生物学特性，并区分患病和健康组织。脂质分子由大量的碳氢键组成，利用碳氢键的两个谐波共振锋，分别在1.2和1.7微米附近的波长，可以实现脂质的光声识别。人们已经探索了1.2微米相对于1.7微米对脂质成像的优势：水的吸收低，横向分辨率高，组织穿透深，成像对比度更强。因此，在生物组织中，1.2微米是对脂质成像的理想激发波长。另一方面，要区分组织中的水分和脂质，同时需要另一个波长，要求是它对水分的光声激发强度应明显高于脂质在该波长的强度。我们发现1064纳米的激光刚好满足这个要求。因此，我们提出利用这两个波长的激发差异来识别生物体中的水分和脂质。
目前，大多数光声成像仅能单独对水分或者脂质成像，很难同时激发两种物质，原因是缺乏合适的多波长激发光源。光参量振荡器，超连续光源和受激拉曼光源一般被用于光声成像，但是其价格和尺寸通常不太理想，并且部分技术较难实现多个波长的同时输出。相比之下，被动调Q固体激光器价格低廉，同时具有结构紧凑和高激光脉冲能量的特点。被动调Q固体激光器使用可饱和吸收体作为Q开关，不需要有源调制器件，这样极大地压缩了激光谐振腔的长度。由于激光腔长很短（通常在几个毫米），可以轻松实现脉冲宽度为1至2纳秒的激光输出，而这个宽度刚好是光声显微成像的最优脉宽区间。输出激光的重复频率可以通过调节泵浦功率来实现。此外，将被动调Q固体激光器与拉曼晶体结合，可以利用拉曼频移效应同时获取多个波长。因此被动调Q固体激光器为光声显微成像提供了一种新的高性能激发光源。
在这项工作中，我们将Nd:YAG/Cr4+:YAG和YVO4拉曼晶体结合，提出了一种紧凑型拉曼被动调Q固体激光器，可同时产生1064纳米基频激光和1176纳米拉曼激光。利用光声效应，这两个波长可以有效区分水分和脂质。激光器腔长仅为5.5毫米。该激光器实现了牛肉组织和小鼠肠间脂肪中水分和脂质的有效区分。
图1 多种纯水和纯脂肪物质在1064和1176纳米处的光声强度。
图2 激光器结构，成像装置和激光拉曼过程。
图3 激光器性能。
图4 牛肉组织中水分和脂质。
图5 小鼠肠间脂肪中水分和脂质。
团队介绍
激光与应用光子学实验室（LLAP）隶属于厦门大学福建省超快激光技术及应用重点实验室，致力于激光器和成像技术的研发和应用，包括空间结构光场和新波段的产生、适用于光声显微成像的新一代小型化高性能固体激光器、多光子和受激拉曼显微成像技术。实验室学术带头人董俊教授为厦门大学电子科学与技术学院副院长，博士生导师，国家“百千万人才工程”入选者，享受国务院颁发政府特殊津贴专家，爱思唯尔高被引学者。团队成员何宏森为厦门大学电子科学与技术学院助理教授，硕士生导师，主持国家、福建省和厦门市等自然基金项目。团队工作在ACS Photonics，APL Photonics，IEEE JSTQE，IEEE JLT，Optics Letters, Advanced Photonics Nexus等期刊发表。
本工作展示的该类激光器，其激光参数（10-100 kHz, 1-2 ns, >10 uJ, 0.2-2 um）十分适合光声显微成像技术，同时体积小巧（10*10*5.5 mm3），价格低廉。欢迎交流合作，尤其是研发便携式或可穿戴的光声显微成像装置。
文章信息
Dual-wavelength, nanosecond, miniature Raman laser enables efficient photoacoustic differentiation of water and lipid
Hanjie Wang; Lin Zhao; Huiyue You; Huiling Wu; Qingliang Zhao; Xin Dong; Shengchuang Bai; Hongsen He; Jun Dong
APL Photonics 9, 096104 (2024)
https://doi.org/10.1063/5.0216255
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期刊介绍
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