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 。
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