[發明專利]基于飽和吸收效應的超分辨光聲成像系統及方法

有效

• 申請號: 202011227123.0
• 申請日: 2020-11-06
• 公開（公告）號: CN112415096B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 陳重江;蔣新立;邢達
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: G01N29/06
• 分類號: G01N29/06;G01N29/24;G01N21/17
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 李君

1.一種基于飽和吸收效應的超分辨光聲成像系統，其特征在于，包括激光發射模塊、激光分束/合束模塊以及信號采集/掃描成像模塊；

所述激光分束/合束模塊包括第一分束片、第一反射鏡、斬波器、第二反射鏡、第二分束片、光學延遲單元和渦旋玻片，所述第一分束片、第一反射鏡、斬波器、第二反射鏡、第二分束片依次相連，構成第一光學支路，所述第一分束片、光學延遲單元、渦旋玻片和第二分束片依次相連，構成第二光學支路；所述激光發射模塊與第一分束片相連，所述第二分束片與信號采集/掃描成像模塊相連；

所述激光發射模塊包括短脈沖激光器、第一透鏡、第二透鏡和針孔，所述短脈沖激光器、第一透鏡、第二透鏡和第一分束片依次相連，所述針孔設置在第一透鏡和第二透鏡的共焦處。

2.根據權利要求1所述的超分辨光聲成像系統，其特征在于，所述光學延遲單元包括第三反射鏡、回射鏡、一維平移導軌和第四反射鏡，所述第一分束片、第三反射鏡、回射鏡、第四反射鏡、渦旋玻片和第二分束片依次相連，構成第二光學支路，所述回射鏡安裝在一維平移導軌上。

3.根據權利要求1-2任一項所述的超分辨光聲成像系統，其特征在于，所述信號采集/掃描成像模塊包括第五反射鏡、物鏡、超聲探頭、掃描平移臺、前置放大器、鎖相放大器和實驗機，所述第二分束片、第五反射鏡、物鏡、超聲探頭、前置放大器、鎖相放大器和實驗機依次相連，所述超聲探頭設置在掃描平移臺上，用于將光聲信號轉化為電信號。

4.根據權利要求3所述的超分辨光聲成像系統，其特征在于，所述信號采集/掃描成像模塊還包括濾波器，所述濾波器設置在超聲探頭和前置放大器之間。

5.根據權利要求3所述的超分辨光聲成像系統，其特征在于，所述超聲探頭上放置有樣品、載玻片和蓋玻片，所述樣品夾在載玻片與蓋玻片之間，且載玻片與超聲探頭之間涂有超聲耦合液。

6.一種基于飽和吸收效應的超分辨光聲成像方法，基于權利要求3-5任一項所述的超分辨光聲成像系統實現，其特征在于，所述方法包括：

在激光發射模塊中，短脈沖激光器產生一束激光，依次經過第一透鏡、針孔和第二透鏡，對激光束進行空間濾波、準直和擴束，獲得高斯光束；

高斯光束進入激光分束/合束模塊，被第一分束片分為兩束激光，一束激光經過第一光學支路，被斬波器進行強度調制，形成調制高斯光束；另一束激光經過第二光學支路，由渦旋玻片轉換成Laguerre-Gaussian模式光束；這兩種不同模式的光束被第二分束片匯聚成一束；在第二光學支路中，光學延遲單元控制好兩種不同模式的光脈沖照射到樣品的時間差，使Laguerre-Gaussian模式光束先入射到樣品表面，在處于激發態的粒子弛豫到基態之前，再使調制高斯光束入射到樣品表面；

匯聚后的光束進入信號采集/掃描成像模塊，被物鏡聚焦照射到樣品上，激發出光聲信號光聲信號被超聲探頭轉化為電信號，經過前置放大器進行電壓放大，再將放大后的光聲信號送入鎖相放大器的檢測信號輸入端；同時鎖相放大器的參考信號輸入端接收與斬波器調制頻率同頻的TTL信號，鎖相放大器提取出與斬波器調制頻率對應的光聲信號幅值；

在信號采集/掃描成像模塊的實驗機中，采集鎖相放大器解調后的信號并保存在實驗機中，控制掃描平移臺對樣品進行水平面方向上的二維平面掃描；掃描平移臺每移動一步，經歷與鎖相放大器的積分時間相匹配的時間延遲之后，采集一次鎖相放大器解調后的信號，二維平面掃描區域采集得到的光聲信號與樣品激發位置坐標一一對應。

7.根據權利要求6所述的超分辨光聲成像方法，其特征在于，所述超分辨光聲成像的橫向分辨率計算如下式：

其中，NA是成像物鏡的數值孔徑，NA＝nsinθ，ζ是飽和因子，表示Laguerre-Gaussian光強與飽和光強的比值。