近日，Photonics Research 報道了廈門大學電子工程系何宏森、董俊教授團隊獲得的新成果，相關工作“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調Q激光器不僅滿足光聲成像的光源參數(shù)，同時具有可觸發(fā)、尺寸小和成本低等優(yōu)點，有利于光聲顯微鏡的便攜式應用。

該工作利用晶萃光學JCOPTIX提供的透鏡來搭建擴束系統(tǒng)，實現(xiàn)激發(fā)光源光斑尺寸與物鏡后焦面的精準匹配。

光聲顯微鏡（PAM）作為一種無標記成像技術，通過脈沖激光激發(fā)生物組織產生聲信號，兼具高分辨率、深層穿透和豐富光學對比度的優(yōu)勢，在生物醫(yī)學領域具有重要應用價值。其成像性能高度依賴于激發(fā)光源的四項核心特性：千赫茲重復頻率（>10 kHz）確保高速掃描同時避免信號混疊，納秒級脈寬（1–5 ns）平衡軸向分辨率與組織穿透深度，微焦耳級脈沖能量（1–10 μJ）克服組織散射與水吸收損耗，寬光譜覆蓋（200 nm–2 μm）實現(xiàn)血紅蛋白、脂質及DNA等生物分子的特異性功能成像。

然而，當前PAM系統(tǒng)的小型化和便攜化面臨光源瓶頸。盡管掃描、探測與采集單元已實現(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；主動調Q固體激光器（AQS-SSL）的長腔體不利于短脈寬產生，而且一般需要高功率泵浦和水冷系統(tǒng)?；诖?，團隊提出使用被動調Q固體激光器（PQS-SSL）：其毫米級腔長利于產生短脈寬，單一振蕩器即可實現(xiàn)微焦耳脈沖能量，全晶體結構實現(xiàn)緊湊化和低成本，晶體的非線性效應支持寬譜調諧。同時，團隊大幅優(yōu)化了由被動調Q機制引起的脈沖時間抖動問題，滿足了激光器與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，通過精確調控泵浦脈沖的周期、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，脈沖泵浦相對于連續(xù)/準連續(xù)泵浦提供了高峰值功率的短脈沖，使增益介質中反轉粒子數(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），顯著壓縮漂白過程在不確定性區(qū)間內的持續(xù)時間，極大的降低了輸出激光脈沖的時序抖動。基于脈沖泵浦的PQS-SSL的裝置示意圖如圖1(d)所示，電源為驅動板供電，而驅動板通過TTL信號調制產生對應的脈沖電流，脈沖電流使激光二極管產生脈沖泵浦光，脈沖泵浦光經(jīng)過兩個透鏡構成的準直聚焦系統(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性晶體組成，且諧振腔兩側鍍有透射和反射膜構成法布里-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調制信號可直接作為PAM系統(tǒng)的觸發(fā)信號。

該光源成功應用于PAM系統(tǒng)（圖3(a)）并實現(xiàn)了高質量的成像結果。系統(tǒng)分辨率測試（圖3(b)和3(c)）表明，其橫向分辨率達到5.5 μm，接近理論值5.3 μm（由激光波長和物鏡數(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算的理論值292 μm高度吻合。圖3(d)和3(e)展示出光聲信號強度的穩(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)），圖像質量保持一致，驗證了系統(tǒng)在變速掃描下的穩(wěn)定性。更重要的是，該激光器成功應用于生物樣本成像。如圖3(f)所示，對斑馬魚幼體全身進行掃描，清晰地揭示了其視網(wǎng)膜、卵黃囊、軀干等精細結構。直徑7 μm的碳纖維樣本的成像結果（圖3(h)）也進一步證實了PAM系統(tǒng)的高對比度和空間分辨率。為了展示其在功能性PAM中的應用潛力，研究團隊進一步拓展了激光波長。通過在激光腔內插入YVO₄晶體，利用其拉曼頻移效應，成功將輸出激光波長擴展至1176 nm（圖4(b)），該波長位于脂質的特征吸收峰附近。如圖6(d)所示，使用此1176 nm激光對牛肉切片進行PAM成像，能夠清晰地區(qū)分并顯示出脂質在肌肉組織中的分布，成像區(qū)域為2 mm × 4 mm，步長為20 μm。這一結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中的應用潛力，研究團隊進一步拓展了激光波長。通過在激光腔內插入YVO4晶體，利用其拉曼頻移效應，成功將輸出激光波長擴展至1176 nm（圖4(b)），該波長位于脂質的特征吸收峰附近。如圖4(d)所示，使用此1176 nm激光對牛肉切片進行PAM成像，能夠清晰地區(qū)分并顯示出脂質在肌肉組織中的分布。這一結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。

這項工作展示了一種基于脈沖泵浦的PQS-SSL，專為微型PAM系統(tǒng)設計。通過創(chuàng)新性采用射頻調制泵浦脈沖技術，實現(xiàn)了對輸出激光的重復頻率鎖定與時序抖動抑制，解決了傳統(tǒng)被動調Q激光器無法穩(wěn)定同步觸發(fā)的關鍵瓶頸。激光諧振腔采用全晶體結構，在保持千赫茲重頻、納秒脈寬、微焦耳級脈沖能量與寬光譜的同時，實現(xiàn)了毫米級腔體尺寸與低成本制造。實驗驗證了該激光器在PAM中的高性能成像能力，并通過腔內拉曼頻移拓展波長實現(xiàn)了脂質特異性功能成像。該激光器為手持式和可穿戴型PAM系統(tǒng)的開發(fā)開辟了新路徑。

廈門大學電子科學與技術學院2024級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。研究工作得到國家自然科學基金項目，福建省自然科學基金，廈門市自然科學基金以及廈門大學校長基金的支持。

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