調Q納秒激光器在生物成像領域-光聲成像方面的應用

在過去幾十年里，一種被稱為光聲成像（OAI）或光聲成像（PAI）的新型生物醫(yī)學成像模式正從實驗室走向臨床應用。PAI能夠提供結構、血流動力學、功能、氧代謝、基因表達、生物標志物、分子等方面的信息。

光聲成像（PAI）是一種新興的成像方式，用于臨床和生物醫(yī)學研究領域。PAI系統(tǒng)使用傳統(tǒng)Q開關的Nd:YAG/OPO（光學參量振蕩器）納秒激光器作為激發(fā)源。這些激光器價格昂貴、體積龐大，脈沖重復率低，成像速度有限。

在使用中光聲激發(fā)脈沖的持續(xù)時間需要小于熱和應力限制時間[1]。因此，通常使用持續(xù)時間為納秒級的近紅外（NIR）/可見光（VIS）激光脈沖來激發(fā)組織樣本。用于光聲成像的傳統(tǒng)高能激發(fā)激光器價格昂貴、不可便攜，并且重復頻率低（10-100 Hz）。有限的脈沖重復頻率是動態(tài)成像（如心跳）的一個問題。這些激光器使得光聲成像技術難以廣泛引入臨床。1064納米或532納米Nd:YAG激光器提供了一種經(jīng)濟的選擇，但它們的固定波長限制了它們在解剖成像中的應用。

廣義上，光聲成像系統(tǒng)可以分為：（1）光聲層析成像（PAT），（2）光聲顯微成像（PAM），（3）光聲內窺成像（PAE）。

在傳統(tǒng)的PAT系統(tǒng)中，Nd:YAG/OPO激光器產生的高能激光束被擴束以均勻照射測試樣本，然后通過單元UST的循環(huán)旋轉來收集樣本發(fā)出的PA信號。傳統(tǒng)PAT系統(tǒng)的示意圖如圖所示[1]。該系統(tǒng)使用光學參量振蕩器和1064 nm/532 nm Nd:YAG泵浦激光器。泵浦源在一秒鐘內提供10個脈沖，每個脈沖持續(xù)時間為5ns。OPO的信號波長可以在670 ~ 970 nm之間變化。

PAT系統(tǒng)的示意圖[1]

盡管傳統(tǒng)激光器能夠提供高能脈沖，以在光聲成像中實現(xiàn)更好的穿透深度，但這些激光器價格昂貴、體積龐大（主動隔振光學平臺），無法用于單探測器掃描的高速或實時成像。如果使用此類激光器，通常需要幾分鐘才能生成一張高質量的體內圖像。

同時，在光聲顯微成像（PAM）中面臨相同的問題，PAM是一種新穎的成像技術，用于在體內可視化光學吸收的表層結構，其橫向空間分辨率由光學聚焦而非聲學檢測決定[2]。由于需要掃描照明點，PAM 成像速度受到掃描速度和激光脈沖重復率的限制。不幸的是，具有高重復率、合適的脈沖持續(xù)時間和能量的激光器并不廣泛可用，而且成本高昂且體積龐大[3]。圖2所示為PAM成像系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)采用納秒脈沖激光器，重復頻率為5 kHz至100 kHz。

PAM成像系統(tǒng)示意圖[3]

小鼠體內光聲成像圖片[3]

昊量光電推出“Quantum Light Instruments"公司調Q納秒激光器及其OPO系列可調高頻率寬光譜(210-4300nm)納秒激光器具有更為可靠、經(jīng)濟且輕便的特點，為客戶提供更寬泛的選擇空間。

下面對“Quantum Light Instruments"納秒激光器產品進行詳細的介紹：

1.Q1激光器

Q1激光器，其中主要特點為重復頻率可調0-10/20/50Hz，激光在10Hz脈沖重復率下可產生高達40mJ的脈沖能量，在50 Hz脈沖重復頻率下可產生高達10 mJ的脈沖能量。激光器可以配置為分別從 Nd：YLF 或 Nd：YAG 激光晶體發(fā)射1053nm或1064 nm 波長。Q1激光器搭配H1倍頻器搭配可產生波段為526.5/532nm,351/355nm，263/266nm,211/213nm單波段光源。

圖4為Q1激光器與Q1激光器搭配H1倍頻器圖片示例。

由于Nd：YLF晶體的熱特性，在1053 nm處，激光器可以從單次脈沖到Max脈沖重復率工作，而不會對光束發(fā)散度或輪廓產生顯著變化。激光束的低發(fā)散度允許使用可選的 H1系列諧波發(fā)生器模塊有效地轉換為諧波波長。Q1是一款緊湊、節(jié)能、二極管泵浦、風冷、調Q激光器，專為需要高峰值功率脈沖的廣泛應用而設計。

2.Q2/Q2HE激光器

Q2激光器，其中主要特點:重復頻率固定為10Hz/20Hz/33.3Hz/100Hz/200Hz,激光在10Hz脈沖重復率下可產生高達80mJ的脈沖能量，在100 Hz脈沖重復頻率下可產生高達10 mJ的脈沖能量。Q2激光器搭配Hsmart倍頻器搭配可產生波段為526.5/532nm,351/355nm，263/266nm,211/213nm單波段光源。

Q2HE激光器，其中主要特點：重復頻率固定為10Hz/20Hz/50Hz/100Hz,能夠產生比Q2更高的能量，具有高達120 mJ 脈沖能量和/或高達5 W平均輸出功率的高質量激光束。Q2HE激光器搭配H-SMART倍頻器搭配可產生波段為526.5/532nm,351/355nm，263/266nm,211/213nm單波段光源。

圖5為Q2激光器與Q2HE激光器圖片示例。

Q2系列二極管泵浦，wan全風冷，調Q激光器設計用于需要高峰值功率脈沖的廣泛應用。內置同步脈沖發(fā)生器，并具有短腔配置，與標準配置相比，在短腔配置中脈沖持續(xù)時間可以減少50%。脈沖能量高達60mj時，脈沖峰值功率可達30mw以上。

3. Q-tune/Q-tune G/Q-tune HR/Q-tune IR激光器

Q-TUNE系列激光器，它的主要特點為使用光學參量振蕩器（OPO）產生可調波長，線寬窄至6 cm-1。可選的二次諧波發(fā)生器將調諧范圍擴展到 210-410 nm，線寬窄至12 cm-1。所有激光電子設備都集成到Q-TUNE的外殼中，唯yi的外部模塊是電源適配器，提供12 VDC, 20 - 50 W功率(取決于型號)。

除了可調諧的波長輸出外，Q-TUNE還提供旁路端口，用于訪問泵浦激光束。可根據(jù)要求提供的可選擴展，用于監(jiān)測OPO波長和線寬的緊湊型光譜儀。

4.“Quantum Light Instruments"公司調Q納秒激光器的優(yōu)勢

昊量光電推出“Quantum Light Instruments"Nd:YAG和Nd:YLF風冷、無水調Q納秒激光器，可以在平均功率高達5 W的情況下產生每脈沖能量高達120 mJ的納秒脈沖。氣冷、無水且經(jīng)濟高效的解決方案，適用于廣泛的應用，包括PAI、LIBS、LIDAR、TOFS、微機械加工等。

應用領域包括：

光聲成像（PAI）

激光誘導熒光(LIBS)

激光打標激光燒蝕

光聲成像屏幕修復飛行時間光譜(TOFS)

光致發(fā)光(LIF) 

閃光光解質譜激光解離(MALDI)

激光脈沖沉積(PLD)

激光雷達

遙感(LIDAR)