江苏激光联盟导读：

据悉，微型传感器的微调矩阵可以很容易地与光子多路复用器集成在芯片上，这为微型化导管等新应用开辟了道路。

医学成像技术提供了一种独特的人体内部视图，对于诊断和疾病监测是非常宝贵的。从x光、核磁共振到超声，这个领域是广阔而多样的。当对生物组织进行成像时，成像方式的选择取决于成像时使用的对比度以及分辨率和深度之间的权衡。光波，例如用于内窥镜或显微镜，可以产生高分辨率的图像，但不能在不受干扰的情况下传播很远。在组织深处，光线会分散，导致图像模糊。高能x射线是一种特殊情况，因为它们可以穿透到组织深处并产生高分辨率的图像，但这种电离辐射限制了它们的使用。

成像与光谱学。成像技术在一些光谱成分(蓝、红、黄)中探索更大的区域，而光谱学则是将一个成分的整个光谱特征可视化。来源：IMEC

众所周知，声波可以通过超声波成像安全地监测子宫中的胎儿。这些机械波比相同频率或波长的电磁波更少散射，因此它们可以到达组织深处的物体。然而，超声图像通常分辨率较低。基于无线电波与氢原子核相互作用的磁共振成像(MRI)显示了类似的特征，具有良好的深度探测能力，但分辨率有限。mri图像比超声图像有更多的细节，但它们通常不是实时和静态的。此外，MRI是一项繁琐的技术，经常需要使用造影剂来提高分辨率。

在这些成像方法之间的软点上，出现了一种具有光基成像分辨率和声基成像深度穿透性的新技术——光声学技术。它能够成像比其他技术更精细的血管，而不需要造影剂或x射线曝光(光声成像，PAI)。光声学也可以应用于描述光与物体相互作用时的光谱特征的光谱学(光声光谱学，PAS)，例如，以识别生物分子，并根据独特的光谱特征监测其浓度(图1)。Imec目前正在研究这项技术，以释放光声学在生物医学应用方面的全部潜力。Hilde Jans, imec光声学活动的高级科学家和项目经理，以及Xavier Rottenberg, imec基于波的传感器和执行器的同事，讨论了半导体技术如何推动PA前进。

光声原则。当光脉冲击中组织时，吸收光的分子会因热而扩张和放松。这些振动会产生一种压力波，这种压力波可以被检测到，并被重建成图像。来源:IMEC

光的声音

PA结合光和声音，以一个世纪前AlexanderGraham Bell首次发现的光声效应为基础，创造出一种图像。Bell注意到，某些材料受到光脉冲的冲击时会发出声音。对光的吸收使这些材料中的分子升温。当分子膨胀、放松并推动周围组织时，热量反过来产生压力变化。这种压力或声波可以被(阵列)麦克风探测到，并重建成高分辨率的图像(图2)。

“PA的优点是你不用对光(光在组织中会减弱)聚焦，而是用声音。只有吸收光的目标分子或结构才会有选择地发出压力波。这意味着你可以在更深的位置和浑浊的结构中获得‘光学对比度’图像。也不需要荧光标签或标签。通过调节激光束的波长，你可以增强目标结构的对比度，或者通过使用不同的波长，你可以在一张图像中看到不同的结构。一个有趣的应用是检测血液中血红蛋白的氧饱和度水平，其中含氧和脱氧血红蛋白在不同波长吸收，”Hilde Jans解释说。“这些特性也适用于光谱学，从而实现了一种零背景、检测限很低的技术。当你把光照射到一个样品上时，只有在有最微小的粒子存在并吸收光的情况下，它才会发出声波。”

imec的光机械超声传感器的截面和扫描电镜图像。来源:IMEC

高灵敏度超声波麦克风

Hilde Jans:“半导体技术使超灵敏麦克风和高光谱纯度光源集成到芯片上，将光声传感带到一个新的水平。在探测器侧，需要一个大的，高密度阵列的高灵敏度超声麦克风和高带宽的读数。由于组织衰减，PA内的信号非常小。麦克风越敏感，噪音越低，你就能在组织的深处听到声音。Imec目前的光机械超声传感器被认为是在光声和超声成像方面最好的(Westerveld，2021年)。它是基于光机械波导而不是压电晶体来将声音转换为可测量的光信号(图3)。这种新方法的检测极限比相同尺寸的最先进的压电元件好两个数量级。这使得像穿透颅骨功能脑成像这样的应用成为可能，在这种情况下，由于骨骼的强超声波衰减，压力波非常小。此外，这些微型传感器的微调矩阵可以很容易地与光子多路复用器集成在芯片上，这为微型化导管等新应用开辟了道路。”

光创造声音

双梳状光源原理。光学频带略有不同的两个频率梳相互作用产生拍散。当光线被吸收时，麦克风可以检测到特定频率上的节拍。来源:IMEC

为了成像的目的，光源通常有一个或几个波长。目标结构将吸收首选波长的光。然后可以使用第二或第三波长的互补来创建目标结构的背景。成像光源功率高，能保证足够的能量密度，在大体积(约1立方厘米)的组织中产生图像。最后，它们需要能够发出脉动光。分子的一次热膨胀不会产生压力波。要做到这一点，分子也必须向后放松。当对光线进行脉动时，这种交替的扩张和松弛会产生一种可探测到的声波。

对于光谱学来说，要求稍有不同。在这种情况下需要一个可调光源，或者一个波长范围很宽的光源，可以通过调制来产生声信号。然而，该技术通常需要在每个感兴趣的波长采集许多单独的图像，这延长了成像时间，并在采样之间移动时产生误差。双梳状激光器将构成一个优雅的解决这个问题，因此正在研究光声应用。

一个光学频率梳同时产生数千个离散的光学频带，这些频带均匀间隔，非常窄，就像一个梳子的齿(图4)。在双梳子源中，两个梳子被组合在一起，其中一个的频率相对于另一个略有偏移。一对梳子齿，每个梳子上的一个，相互干扰导致“敲打”。节拍音符由麦克风检测到。每一对的平均光频率被调制为一个独特的声频，换句话说，光吸收光谱被复制到声域。例如，对于“绿色”波长梳对，平均绿色将被目标分子吸收，并产生一个独特的音调，其频率等于两个“绿色”光频率之间的差。如果麦克风在绿色的声频处接收到信号，可以看到这个频率处的光谱峰值。

基于SiN imec的锁模激光器示意图，由imec- ughent光子学研究组设计。来源:IMEC

最近，Imec与光子学研究小组(UGhent的一个Imec研究小组)共同创造了一种锁模激光器，这是产生双梳的最受欢迎的光源，可以集成在芯片上(图5)(Hermans, 2021)。片上集成打开了小型化、稳定和低成本激光光源的前景。目前在硅平台上的演示表明，由于相对较高的波导损耗和平台的温度灵敏度，在脉冲能量、噪声和稳定性方面的性能有限。Imec公司的集成锁模激光器是在氮化硅(SiN)上制造的。SiN是主要的光子集成平台之一，与硅等材料相比，它具有非常低的波导损耗和低温灵敏度。该结果是迈向高脉冲能量、低噪声、芯片上锁模激光器的第一步，imec正在研究这种激光器作为双梳PA光谱学的候选者。

光源的光谱

“双梳激光是光源中的劳斯莱斯，但并不是所有的应用都需要这样一个奇特的光源，”Xavier Rottenberg解释说。“例如，二氧化碳在4.3μm波长处有一个很大的吸收峰，用一个简单的黑体辐射器就可以探测到，它可以发出一个宽带的、连续的光谱。二氧化碳传感是一个例外;对于类似组件的复杂传感，一个好的光谱仪仍然需要一个好的光谱带宽较窄的光源，如量子级联激光器阵列或双梳子激光器。除了这些高端光源，imec还在研究基于led(发光二极管)的中端光源。无论是成像还是光谱学方面，led都是令人感兴趣的候选产品，因为它们成本低、耐用且易于使用。另一方面，led的挑战在于，它们不能像双梳状激光器那样立刻产生光谱。通过组合2到6个led，已经可以获得一个粗略的光谱。虽然分辨吸收峰将是困难的，但与背景的相关性和其他处理技术是可能的。目前imec的工作主要集中在可见范围内的一组led芯片上。”

光声学实现了生物医学应用中的无创、高分辨率传感。来源:IMEC

应用程序空间

PAI和PAS作为一种新的、无创的生物医学应用技术，填补了现有模式之间的空白(图6)。PAI特别适合用于血管和氧饱和度的成像，因为血红蛋白(红血球中的载氧成分)具有强烈的PA信号。因此，对于常表现为新生血管的肿瘤的诊断是PAI潜在的应用领域。

PAS可用于检测血液中的生物标志物，如皮质醇，或用于呼吸分析。然而，圣杯是对糖尿病患者至关重要的无创血糖检测。这是一个具有挑战性的应用，因为人体皮肤不同，葡萄糖信号往往很弱，皮肤的变化取决于环境。一旦你有了一个强大的葡萄糖传感器，你也可以了解葡萄糖代谢和浓度的变化，因为当葡萄糖浓度越高，信号就会越强。最重要的是，刺手指将成为过去，”Xavier Rottenberg总结道。

来源：High-pulse-energy III-V-on-silicon-nitride mode-locked laser, APLPhotonics (2021). DOI: 10.1063/5.0058022，Sensitive, small,broadband and scalable optomechanical ultrasound sensor in silicon photonics,Nature Photonics (2021). DOI: 10.1038/s41566-021-00776-0