单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法及装置的制造方法

单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法，包括：将单个激光脉冲聚焦于一被测物体，当激光脉冲宽度大于被测物体的压力弛豫时间时，被测物体将产生双非线性光声信号。还公开了单激光脉冲诱导双非线性光声信号的装置，包括：可调宽度的激光脉冲输出装置，其用于产生激光脉冲；聚焦透镜，其将激光脉冲聚焦于被测物体上；超声传感器，聚焦透镜设置在超声传感器的空腔中，被测物体设置在超声传感器空腔的一端口处，超声传感器用于检测由激光脉冲诱导产生的双非线性光声信号。该发明能够解决现有技术中不能利用一个激光脉冲产生两个非线性光声信号的问题，相比于传统的线性光声技术，可以进一步提高光声检测与成像技术的灵敏度和分辨率。
【专利说明】
单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法及装置
技术领域
[0001] 本发明属于非线性光声检测与成像技术领域，特别涉及一种单激光脉冲诱导双非 线性光声信号的方法及装置。
【背景技术】
[0002] 光声检测与成像技术是最近在医学成像领域快速发展起来的一种新的混合成像 方法。光声成像技术的原理是当纳秒级超短激光脉冲照射在被测物体以后，被测物体会吸 收一部分光能量，导致瞬态的温度升高，从而发生热胀冷缩的瞬态振动。这样的振动可以激 发出超声波即光声信号，如果被测物体不同，产生的超声波强度也不同。由于光声信号的幅 值线性正比于被测物体的光学吸收系数，因此传统的光声检测与成像技术可以用来检测和 重构出生物组织对特定/多个波长激光的吸收分布，从而进行医学检测。关于光声技术的综 述性总结可以在最近几年的学术论文中找到（Nature Photonics 3,503-509(2009); Science 335，1458-1462(2012))〇
[0003] 如上所述，传统的光声技术是基于对被测物体线性吸收特性的表征:光声信号大 小与被测物体光吸收大小或者激发的激光功率大小呈线性变化。这就意味着在检测过程 中，随机的光强度变化或者传感器接收位置的变化，就会导致信号的随机变化和图像的失 真。另外一个重要的问题是，当被测物体的光吸收系数等于或者甚至小于背景的吸收系数 时（比如血液中的癌细胞，或者血糖分子），背景产生的光声信号会等于或者大于被测物体 的信号，这样就无法检测出被测物体实际的光吸收系数。为了解决这个问题，最近几年发展 出了可以激发出非线性光声效应的纳米粒子(Nature Photonics 5,110-116(2011); Photoacoustics 3,20-25(2015))。当激光强度达到一定的阈值之后，由于在微纳尺度的气 化现象，这些纳米粒子可以产生非线性增加的光声信号，这样就可以把纳米粒子从只有线 性吸收的背景中提取出来。另外一种光声非线性效应是通过连续的两个脉冲激光来激发出 两个光声信号（Nature Photonics 9,126-132(2015) ;Physical Review Letters 113 (2014))。由于第一个脉冲激光导致被测物体温度升高，从而提高了其热膨胀系数，第二个 激光会诱导出更强烈的光声信号。基于这个机理，可以发展出几种有趣的应用，比如超分辨 显微成像和光声诱导的在光散射介质中的光学聚焦。如上所述的几种非线性光声信号产 生，都是基于一个脉冲激光产生一个光声信号，或者两个脉冲激光产生两个光声信号。到目 前为止，还没有关于利用一个脉冲激光产生两个非线性相关的光声信号技术的学术论文和 专利。

【发明内容】

[0004] 本发明提供的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法及装置，能够解决现有技 术中不能利用一个激光脉冲产生两个非线性光声信号的问题。
[0005] 本发明提供的技术方案为：
[0006] 第一方面，本发明提供了一种单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法，包括:将 单个激光脉冲聚焦于一被测物体，当激光脉冲宽度大于所述被测物体的压力弛豫时间时， 所述被测物体将产生双非线性光声信号。
[0007]优选的是，所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法，所述被测物体将产 生双非线性光声信号包括：
[0008]米用如下第一公式获取第一光声信号的强度P1，所述第一公式为:pi= r 〇rithya<i) δ t，其中，Φ是所述被测物体被照射的光强度，δ?是所述被测物体由于吸收光能量而导致温 度瞬态升高的上升沿时间δ?，Γ 〇是Gruneisen系数，nth是所述被测物体吸收光能量转换至 声压的转换效率，是所述被测物体的光吸收强度；
[0009]采用如下第二公式获取第二光声信号的强度p2,所述第二公式为：
其中，Tth是所述被测物体的热扩散弛豫时间，α是被测物体的热扩散系数，b是从吸收 的热量到Gruneisen系数提高的比率，Δ t是激光脉冲的宽度。
[0011] 优选的是，所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法，若激光脉冲的宽度 A t〈〈所述被测物体的热扩散弛豫时间Tth，所述被测物体的热扩散忽略不计时，则所述第二 公式化简为：P2= r〇nttjia<i) (δ?+Δ t)+(bnthya<i) a t)nthya<i)δ?。
[0012] 优选的是，所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法，若激光脉冲的宽度 At大于等于所述被测物体的热扩散弛豫时间Tth，在激光脉冲时间内所述被测物体由于热 积累而增加的Gruneisen系数忽略不计时，则所述第二公式简化为：
[0013]优选的是，所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法，所述被测物体的光 声非线性特性1^采用如下第三公式获取，所述第三公式为：
[0014] 优选的是，所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法，若激光脉冲的宽度 At大于等于所述被测物体的热扩散弛豫时间Tth，且增加激光脉冲重复频率，即每秒N个脉 冲，则所述第一公式为:pi=( r〇+bnthya<i) δ tN)nthya<i) δ?，所述第二公式为：
[0015] 另一方面，本发明还提供了一种单激光脉冲诱导双非线性光声信号的装置，包括：
[0016] 可调宽度的激光脉冲输出装置，其用于产生激光脉冲；
[0017] 聚焦透镜，在其焦点处设置一被测物体，所述聚焦透镜将所述可调宽度的激光脉 冲输出装置产生的激光脉冲聚焦于被测物体上；
[0018] 超声传感器，所述聚焦透镜设置在所述超声传感器的空腔中，所述被测物体设置 在所述超声传感器空腔的一端口处，所述超声传感器用于检测所述被测物体由激光脉冲诱 导产生的双非线性光声信号。
[0019] 优选的是，所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的装置，所述可调宽度的激 光脉冲输出装置包括：
[0020] 信号发生器，其用于产生可调宽度的脉冲信号；
[0021] 驱动放大器，其连接至所述信号发生器，用于将所述信号发生器产生的脉冲信号 进行放大；
[0022] 激光二极管，其连接至所述驱动放大器，用于产生可调宽度的激光脉冲。
[0023]优选的是，所述的激光脉冲诱导双非线性光声信号的装置，还包括：
[0024] 去离子水，其设置在所述聚焦透镜和所述被测物体之间，用于耦合激光脉冲和超 声，所述去离子水设置在一个由透明聚乙烯薄膜制成的腔体中；
[0025] 透明玻璃，其设置在所述超声传感器的空腔与所述去离子水之间；
[0026] 其中，所述经聚焦透镜聚焦的激光脉冲依次经过所述透明玻璃、所述去离子水以 及所述透明聚乙烯薄膜照射在所述被测物体上。
[0027]优选的是，所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的装置，还包括：
[0028]光纤耦合器，其连接所述激光二极管；
[0029]光纤，其一端连接所述光纤耦合器，另一端连接至所述超声传感器的空腔中，所述 激光二极管产生的激光脉冲经过光纤耦合器进入至所述光纤中。
[0030] 优选的是，所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的装置，还包括：
[0031] 低噪声放大器，其连接所述超声传感器，所述超声传感器收集到的光声信号经过 所述低噪声放大器进行信号放大；
[0032] 转换器，其连接所述低噪声放大器，所述低噪声放大器放大的信号经过转换器后 转换为数字信号；
[0033]终端设备，其连接所述转换器，用于接收所述转换器传输的数字信号并进行数据 分析。
[0034] 本发明提供的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法及装置：由于设置了可调 宽度的激光脉冲输出装置，可用于产生可调宽度的激光脉冲，将单个激光脉冲聚焦于一被 测物体，当激光脉冲宽度大于所述被测物体的压力弛豫时间时，所述被测物体将产生双非 线性光声信号，产生的双非线性光声信号可以应用在多个方面，比如血糖检测，血脂检测， 以及纳米粒子增强成像等，还可以用来实现闭环的光热治疗以及温度控制。另外相比于传 统的线性光声技术，可以进一步提高光声检测与成像技术的灵敏度和分辨率。本发明的另 外一种实现方式是利用工作在准连续状态的高重复频率脉冲激光二极管，这可以进一步提 高非线性光声信号的信噪比。
【附图说明】
[0035] 图1为本发明所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的装置的结构示意图；
[0036] 图2是在短激光脉冲和长激光脉冲情形下，产生的单光声信号和双非线性光声信 号波形；
[0037] 图3是在不同脉冲宽度下，两个光声信号强度的变化图；
[0038] 图4是在不同的激光平均功率的情况下，两个光声信号的强度变化，以及非线性比 例变化图；
[0039] 图5是对三种不同的样品所做的双非线性光声测试的结果。
【具体实施方式】
[0040] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041] 为使本发明技术方案的优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作详细说 明。
[0042] 如图1所示，本发明提供的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法，包括:将单 个激光脉冲聚焦于一被测物体，当激光脉冲的宽度A t大于所述被测物体的压力弛豫时间 时，所述被测物体将产生双非线性光声信号。
[0043] 需要说明的是:被测物体的压力弛豫时间Ts = d/v，d是光声信号源的尺寸，v是被 测物体的声速。在传统的纳秒级激光脉冲诱导的光声技术中，由于激光脉冲宽度△ t(纳秒） 远小于被测物体的压力弛豫时间（stress relaxation time)和热扩散弛豫时间（thermal relaxation time)以及瞬态的热弹性膨胀与收缩，被激发的物体会产生一个宽带的脉冲光 声信号。当进一步增大激光脉冲的宽度At并大于压力弛豫时间^时，原先单个的光声信号 会逐渐变为两个分开的光声信号，第一个信号是由于被测物体吸热膨胀导致的光声信号 P1，第二个信号是由于被测物体放热收缩导致的光声信号p2,并且与第一个信号有完全相反 的波形。
[0044] 进一步的，所述被测物体将产生双非线性光声信号包括：
[0045]米用如下第一公式获取第一光声信号的强度pi，所述第一公式为:ρι= Γ 〇rithya<i) δ t，其中，Φ是所述被测物体被照射的光强度，δ?是所述被测物体由于吸收光能量而导致温 度瞬态升高的上升沿时间δ?，Γ 〇是Gruneisen系数，nth是所述被测物体吸收光能量转换至 声压的转换效率，是所述被测物体的光吸收强度；
[0046]采用如下第二公式获取第二光声信号的强度?2，所述第二公式为：
其中，ith是所述被测物体的热扩散弛豫时间，α是被测物体的热扩散系数，b是从吸收 的热量到Gruneisen系数提高的比率，Δ t是激光脉冲的宽度。
[0048]需要说明的是:第一光声信号产生于激光脉冲刚开始照射被测物体温度急剧升高 的阶段（满足绝热膨胀条件），所以它的信号大小取决于被测物体被照射的光强度ΦΝ/ cm2)以及瞬态升高的上升沿时间δ?。由于放热收缩导致的第二光声信号会产生比第一光声 信号更大的强度，出现这个现象的原因是被测物体在激光照射的过程中吸收了更多的激光 能量，以及由于温度升高而导致更大的Gruneisen系数的提高（热弹性系数提高）。但是，当 激光脉冲的宽度继续增加到大于热扩散的弛豫时间时（A t>Tth=d2/a，Tth是热扩散弛豫时 间，a是被测物体的热扩散系数），第二光声信号的强度会逐渐减小并接近于第一光声信号 的强度。
[0049] 从所述第二公式可以得出，第二光声信号的非线性主要来自于三个部分:第一个 是Gruneisen饱和效应，反映了由于热积累，温度升高和饱和导致的Gruneisen系数的增加； 第二个是由于脉冲宽度的增加而导致的光总能量的增加;第三个是由于被测物体与周围环 境的温度差而导致的热扩散。其中，第一项Gruneisen饱和项是由热积累和扩散积分而得到 的<
[0050] 进一步的，若激光脉冲的宽度Δ t〈〈所述被测物体的热扩散弛豫时间τ t h，
，在高功率激光下光强度φ很大(峰值功率大于1万瓦），所述被测物体的热扩 散在较短的激光脉冲时间里可以忽略不计，且由于大的光强度，Gruneisen饱和效应会比较 显著，则所述第二公式化简为:P2= rQnttjia<i) (δ?+Δ t)+(bnthya<i) δ t)nthya<i)δ?。
[0051] 需要说明的是，第二公式简化后的情况类似于利用连续两个短脉冲来激发出非线 性光声效应的方法(Nature Photonics 2015)。而使用本发明提出的方法，利用一个激光脉 冲即可产生类似的非线性光声效应，可以大大简化系统成本和复杂度。
[0052] 进一步的，若激光脉冲的宽度At大于等于所述被测物体的热扩散弛豫时间ith，在 激光脉冲时间内所述被测物体由于热积累而增加的Gruneisen系数忽略不计时，则所述第 二公式简化为：
[0053]需要说明的是，当激光脉冲的宽度At大于等于所述被测物体的热扩散弛豫时间 ith，采用低功率激光二极管，Φ很小(峰值功率小于1瓦）。这种情况下，随着激光脉冲宽度的 增加，热扩散变得越来越显著。另外，由于激光二极管产生的光强度很低，从而在脉冲时间 内由于热积累而增加的Grune i s en饱和系数可以忽略。
[0054]进一步的，所述被测物体的光声非线性特性Rnl采用如下第三公式获取，所述第三 公式为：
[0055]需要说明的是，在低功率激光二极管照射的情况下，随着激光脉冲宽度的增加，第 二光声信号会由于光能量的积累而逐渐增大，然后由于更加显著的热扩散而导致信号逐渐 减小。一个最直接表征第二光声信号P2非线性的方法就是扫描激光脉冲的宽度来观察口2的 幅值大小。在一个关键脉冲宽度下A tk，p2信号的幅值会从增加过渡到减小，这个脉冲宽度 即可拿来表征被测物体的光声非线性特性。为了避免扫描激光脉冲宽度，加快表征速度，也 可以直接计算第二光声信号P2和第一光声信号 ?1的比值Rnl，来表征这种非线性特性。
[0056]值得一提的是，在固定的激光脉冲宽度下，Rnl只跟被测物体的热弛豫时间有关。相 比于第一公式表达的线性光声信号，这里的非线性比值Rnl不受外界环境随机变化因素的影 响，比如未知的光强度分布，未知的检测灵敏度以及未知的光吸收系数，可以实现可靠且灵 敏的检测。另外，R nl提供了基于热扩散强度的对比度，可以将传统的基于光吸收对比度的光 声技术拓展为多维对比度的检测技术。这种方法在几种光声灵敏检测的应用中可预期会有 更好的效果，比如血糖检测，血脂检测，以及纳米粒子增强成像。
[0057] 进一步的，若激光脉冲的宽度At大于等于所述被测物体的热扩散弛豫时间Tth，且 增加激光脉冲重复频率，即每秒N个脉冲，则所述第一公式为:pi = ( r〇+bnthya<i) δ tN)nthya Φ St，所述第二公式为：
[0058] 需要说明的是，若激光脉冲的宽度At大于等于所述被测物体的热扩散弛豫时间 ith，单个激光脉冲内没有很明显的热积累效应，当增加激光脉冲的重复频率后(每秒N个脉 冲），会导致长时间的热积累和温度的升高。第一光声信号强度 P1和第二光声信号强度?2的 大小会随着激光重复频率的增加(绝对温度升高，Gruneisen系数增大)而增大。在这种情况 下，Gruneisen饱和效应改为线性效应(b%hy a(i) Δ tN)，随着激光脉冲频率(总的平均功率） 而线性增加。从简化后的公式可以看出，在一定的激光脉冲宽度下，激光重复频率的增加会 导致平均功率增加，以及绝对温度的升高，从而线性的增大两个光声信号。然而，根据第三 公式，它们之间的比值会保持不变。利用其对温度的灵敏性以及单个低成本的激光二极管， 本发明也可以用来实现闭环的光热治疗以及温度控制。
[0059] 另一方面，如图1所示，本发明实施例还提供了一种单激光脉冲诱导双非线性光声 信号的装置，包括:可调宽度的激光脉冲输出装置，其用于产生激光脉冲;聚焦透镜7,在其 焦点处设置一被测物体13,所述聚焦透镜7将所述可调宽度的激光脉冲输出装置产生的激 光脉冲聚焦于被测物体13上;超声传感器9,所述聚焦透镜7设置在所述超声传感器9的空腔 中，所述被测物体13设置在所述超声传感器9空腔的一端口处，所述超声传感器9用于检测 所述被测物体13由激光脉冲诱导产生的双非线性光声信号。
[0060] 采用可调宽度得激光脉冲输出装置，使其产生的激光脉冲宽度可调，便于实施该 发明实施例提供的方法。
[0061] 需要说明的是，超声传感器可以选择单个超声单元，或者由多个超声单元组成的 阵列。如果选择超声阵列，需要配置一个多路选择器来实现每个超声单元逐一信号采集，具 体采用哪种，在这里并不做具体限定，可以根据实际情况来决定。根据不同的应用，超声频 率可以选择1~20MHz。
[0062] 进一步的，所述可调宽度的激光脉冲输出装置包括:信号发生器1，其用于产生可 调宽度的脉冲信号；驱动放大器2,其连接至所述信号发生器1，用于将所述信号发生器1产 生的脉冲信号进行放大;激光二极管3，其连接至所述驱动放大器2，用于产生可调宽度的激 光脉冲。
[0063] 其中，信号发生器也可以由可编程逻辑门阵列FPGA来代替，具体采用哪种，本发明 实施例不做限定。
[0064] 其中，激光二极管的波长可以选择从500nm到2000nm之间的波长，根据不同的被测 物体选择不同的测试波长。比如，测量血液的话，可以选择波长在550-600nm之间，这样血液 有较强的光吸收。对于脂类检测，可以选择1210nm附近的波长，可以最大化脂类相对于血液 的吸收强度。激光强度可以选择在保证安全的情况下，尽量大的功率来增强信噪比。
[0065]本发明实施例可以利用高重复频率的脉冲激光二极管，比如重复频率在10 -100kHz，脉冲宽度100ns。在这种情况下，高重复频率的脉冲序列可以很好的在被测物体中 产生热积累(类似于连续激光），同时可以得到相比于连续激光器更高信噪比的光声信号。
[0066] 进一步的，所述的激光脉冲诱导双非线性光声信号的装置，还包括:去离子水11， 其设置在所述聚焦透镜7和所述被测物体13之间，用于耦合激光脉冲和超声，所述去离子水 11设置在一个由透明聚乙烯薄膜12制成的腔体中；透明玻璃10,其设置在所述超声传感器9 的空腔与所述去离子水11之间；其中，所述经聚焦透镜聚焦的激光脉冲依次经过所述透明 玻璃10、所述去离子水11以及所述透明聚乙烯薄膜12照射在所述被测物体13上。
[0067] 进一步的，所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的装置，还包括:光纤耦合器 4，其连接所述激光二极管3;光纤5，其一端连接所述光纤耦合器4，另一端连接至所述超声 传感器的空腔中，所述激光二极管3产生的激光脉冲经过光纤耦合器4进入至所述光纤5中。
[0068] 其中，光纤为多模光纤或者单模光纤，在此不做具体的限定。
[0069] 进一步的，所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的装置，还包括:低噪声放大 器14,其连接所述超声传感器9,所述超声传感器9收集到的光声信号经过所述低噪声放大 器14进行信号放大;转换器15,其连接所述低噪声放大器14,所述低噪声放大器14放大的信 号经过转换器15后转换为数字信号;终端设备16,其连接所述转换器，用于接收所述转换器 传输的数字信号并进行数据分析。
[0070] 其中，转换器为示波器或者数据采集卡，终端设备为计算机或者手机，在此也不做 具体限定。
[0071 ]整个装置的具体工作过程为：
[0072]由信号发生器1(或者可编程逻辑门阵列FPGA)产生的可调宽度脉冲（1~lOOOus) 信号连接驱动放大器2，驱动放大器将输入信号放大，并产生大的电流输出，输出的大电流 传输至激光二极管3,从而产生可调宽度的脉冲激光。由激光二极管发出的激光脉冲通过光 纤耦合器4导入光纤5中，光纤的输出端通过聚焦透镜7将光斑聚焦于被测物体13,光斑大小 根据实际空间分辨率的要求进行调整（1mm~lum)。聚焦透镜7放置于超声传感器9中部的空 腔8中。超声传感器9用来检测激光诱导产生的两个光声信号。空腔与去离子水11由透明玻 璃10隔开。去离子水位于由透明聚乙烯薄膜12制成的腔体中，去离子水的作用是用来同时 耦合激光和超声，而聚乙烯薄膜可以很好的耦合从被测物体13发出的光声信号。由超声传 感器收集到的信号连接低噪声放大器14进行信号放大，然后连接示波器或者数据采集卡15 转换为数字信号，最后传输到电脑或者手机16等其他终端进行数据分析，处理以及显示和 人机交互。
[0073]下面，本发明实施例选择不同的被测物体对本发明实施例所提供的方法和装置进 行说明。
[0074] 实施例一
[0075]被测物体选择为黑色的橡胶导线，是因为其有相对较强的光吸收系数，以及较大 的热扩散弛豫时间。作为比较观察，利用短激光脉冲也产生了单个光声信号。利用lus的激 光脉冲，如图2a所示，传统的短激光脉冲只能产生一个光声信号，如图2c所示。另一方面，利 用l〇us的激光脉冲，如图2b所示，我们可以观察到两个光声信号，如图2d所示。可以看出，两 个光声信号分别产生于激光脉冲的上升沿和下降沿，并且它们之间的时间延迟等于脉冲的 宽度(10us)。两个光声信号的波形高度相关，然而拥有相反的相位，这是由于它们是来自于 同一个被测物体，第一光声信号是由于升温膨胀导致(正相位），第二光声信号是由于降温 收缩导致(负相位）。另外，第二光声信号的幅值要大于第一光声信号的幅值，这是由于在激 光脉冲的时间段内（小于关键脉冲宽度A tk)，热积累的速度大于热扩散的速度，从而导致 更大的瞬态温度差，进而产生更强的光声信号。
[0076] 更进一步扫描激光的脉冲宽度，扫面范围为6us到900us(6us以下两个光声信号会 重合），两个光声信号的幅值如图3。可以看出，第一光声信号的幅值随着脉冲宽度的增加基 本不变，这是因为它产生于最初的瞬态温度升高与热膨胀，与激光脉冲时间内的热积累与 扩散没有关系。相反，第二光声信号会随着脉冲宽度的增加而有所变化。在小于l〇us的时 候，幅值增加，在10到20us的时候，幅值基本保持不变，在大于20us的时候，幅值减小并接近 于第一光声信号。
[0077] 另外，本发明实施例所产生的两个光声信号还跟被测物体的绝对温度有关，从下 述公式可以看出，若激光脉冲的宽度At大于等于所述被测物体的热扩散弛豫时间T th，且增 加激光脉冲重复频率，即每秒N个脉冲，第一公式化简为:pi = ( r 〇+bnthya Φ δ tN)nthya Φ St， 第二公式化简为为：
。所以，通过扫描脉冲激 光(脉冲宽度l〇us，峰值功率1W)的重复频率（100~1900Hz)，可以实现平均功率从1到19毫 瓦的扫描。从图4a可以看出两个光声信号幅值会随着平均功率的增加而增大。然而，它们之 间的非线性比值却基本不变，如图4b所示，符合第三公式的预期。
[0078] 实施例二
[0079]为了展示本发明中所提出的非线性光声技术在区分不同样品的对比度方面优于 现有的线性光声技术，在这个实施例中，准备了三种不同的样品（黑墨水，纳米金棒，IR825 染料)分别放入相同的塑料细管中。这些样品在808纳米波长激光的照射下都有很强而且类 似的线性吸收系数。从图5b中可以看出，三种样品由于线性吸收产生的第一个光声信号的 幅值几乎一样(20毫伏）。然而，由非线性效应导致的第二光声信号的幅值却大不一样。将两 个信号的幅值相减，我们可以得到三种样品光声信号非线性增强的比较图，图5c所示。可以 看出，非线性增强的部分可以更好的区分三种不同的样品（对比度>300%)，而线性光声的 对比度小于5%。这个实例很好的体现出本发明中所提的双非线性光声技术可以非常好的 区分不同的样品，尤其是当传统的线性光声无法很好的区分的时候。
[0080] 本发明实施例所提出的单激光脉冲产生双非线性光声信号的方法及装置将会对 多个重要的应用起到推动作用，包括:双对比度的光/热成像，高灵敏度的无损血糖、血脂检 测，纳米粒子增强的光声成像，闭环控制的光热治疗与光声温度控制，纵向分辨率增强的光 声成像，利用双光声信号高度相关性实现对比度增强的光声成像，以及光身信号诱导的散 射介质中的光学聚焦等等。然而，本发明的【具体实施方式】和应用范围并不局限于以上实例。 任何利用到本发明的基本原理所作的改变，修饰，替代，组合，简化，均为等效的置换方式， 都包含在本发明的保护范围之内。
[0081] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列 运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的，领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易 地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不 限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
【主权项】
1. 一种单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法，其特征在于，包括:将单个激光脉冲 聚焦于一被测物体，当激光脉冲宽度大于所述被测物体的压力弛豫时间时，所述被测物体 将产生双非线性光声信号。2. 如权利要求1所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法，其特征在于，所述被 测物体将产生双非线性光声信号包括： 米用如下第一公式获取第一光声信号的强度pi，所述第一公式为:Pi= ΓοΠι^μL?Φδ?：，其 中，Φ是所述被测物体被照射的光强度，St是所述被测物体由于吸收光能量而导致温度瞬 态升高的上升沿时间δ?，Γ ο是Gruneisen系数，nth是所述被测物体吸收光能量转换至声压 的转换效率，是所述被测物体的光吸收强度； f田加下笛一 /A忒莽取笛一 t亩佶县的踞齒.靳祙笛一 /A忒*.其中，Tth是所述被测物体的热扩散弛豫时间，α是被测物体的热扩散系数，b是从吸收的 热量到Gruneisen系数提高的比率，Δ t是激光脉冲的宽度。3. 如权利要求2所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法，其特征在于，若激光 脉冲的宽度△ t〈〈所述被测物体的热扩散弛豫时间Tth，所述被测物体的热扩散忽略不计时， 则所述第二公式化简为:P2= rQnttjia<i) (δ?+Δ t)+(bnthya<i) δ t)nthya<i)δ?。4. 如权利要求2所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法，其特征在于，若激光 脉冲的宽度A t大于等于所述被测物体的热扩散弛豫时间Tth，在激光脉冲时间内所述被测 物体由于热积累而增加的Gruneisen系数忽略不计时，则所述第二公式简化为：5. 如权利要求2所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法，其特征在于，所述被 测物体的光声非线性特性Rnl采用如下第三公式获取，所述第三公式为：6. 如权利要求2所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的方法，其特征在于，若激光 脉冲的宽度△ t大于等于所述被测物体的热扩散弛豫时间Tth，且增加激光脉冲重复频率，即 每秒N个脉冲，则所述第一公式为:m=( r〇+bnthya<i) Δ?Ν)τΜμ3φδ?，所述第二公式为：7. -种单激光脉冲诱导双非线性光声信号的装置，其特征在于，包括： 可调宽度的激光脉冲输出装置，其用于产生激光脉冲； 聚焦透镜，在其焦点处设置一被测物体，所述聚焦透镜将所述可调宽度的激光脉冲输 出装置产生的激光脉冲聚焦于被测物体上； 超声传感器，所述聚焦透镜设置在所述超声传感器的空腔中，所述被测物体设置在所 述超声传感器空腔的一端口处，所述超声传感器用于检测所述被测物体由激光脉冲诱导产 生的双非线性光声信号。8. 如权利要求7所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的装置，其特征在于，所述可 调宽度的激光脉冲输出装置包括： 信号发生器，其用于产生可调宽度的脉冲信号； 驱动放大器，其连接至所述信号发生器，用于将所述信号发生器产生的脉冲信号进行 放大； 激光二极管，其连接至所述驱动放大器，用于产生可调宽度的激光脉冲。9. 如权利要求7所述的激光脉冲诱导双非线性光声信号的装置，其特征在于，还包括： 去离子水，其设置在所述聚焦透镜和所述被测物体之间，用于耦合激光脉冲和超声，所 述去离子水设置在一个由透明聚乙烯薄膜制成的腔体中； 透明玻璃，其设置在所述超声传感器的空腔与所述去离子水之间； 其中，所述经聚焦透镜聚焦的激光脉冲依次经过所述透明玻璃、所述去离子水以及所 述透明聚乙烯薄膜照射在所述被测物体上。10. 如权利要求8所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的装置，其特征在于，还包 括： 光纤耦合器，其连接所述激光二极管； 光纤，其一端连接所述光纤耦合器，另一端连接至所述超声传感器的空腔中，所述激光 二极管产生的激光脉冲经过光纤耦合器进入至所述光纤中。11. 如权利要求7所述的单激光脉冲诱导双非线性光声信号的装置，其特征在于，还包 括： 低噪声放大器，其连接所述超声传感器，所述超声传感器收集到的光声信号经过所述 低噪声放大器进行信号放大； 转换器，其连接所述低噪声放大器，所述低噪声放大器放大的信号经过转换器后转换 为数字信号； 终端设备，其连接所述转换器，用于接收所述转换器传输的数字信号并进行数据分析。
【文档编号】G01N21/17GK106018283SQ201610300222
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】高飞, 段丽莎
【申请人】高飞