目前光声成像（PAI）中用于探测超声波的主流器件是基于压电材料的超声换能器，考虑到这类换能器的探测性能会随器件尺寸的减小而大幅下降，科研者们近年来开始逐渐关注于小型化光学超声传感器的研究与开发。相较于传统的压电超声换能器，这些小型化的光学超声传感器通常具备较宽的探测带宽和与尺寸几乎无关的高灵敏度，在推动更深和更高分辨率的PAI方面展现出了巨大的潜力。
据麦姆斯咨询报道，针对该领域研究进展，中山大学、华东师范大学的研究团队进行了综述分析，简要回顾了光学超声传感器的发展历程，重点介绍了基于微型光学谐振腔的超声传感器以及并行寻址的最新方法，分析了光学超声传感器在光声活体成像方面的应用进展，并对其未来发展进行了展望。相关研究内容以“小型化光学超声传感器及其在光声成像中的应用进展”为题发表在《激光与光电子学进展》期刊上。
基于光学微谐振腔的光学超声传感器
近年来，微纳加工工艺的发展使得具有高品质因数的微米甚至纳米尺度的光学谐振腔成为可能。结合了微型光学谐振腔和光学干涉测量方法的光学超声传感器通常具有高灵敏度、微型化等优点。研究人员重点分析了三种基于不同微型光学谐振腔的光学超声传感器：法布里-珀罗谐振腔、π相移布拉格光栅谐振腔（π-BGs）和微环谐振器。早期的法布里-珀罗干涉仪将探测光束置于两个平面镜之间，由于超声波的存在会改变谐振腔的光程，造成谐振腔的共振频率随之改变，因此通过记录透射或反射光束的瞬态强度变化就能够实现超声波信号的探测，目前基于该类光学干涉仪的超声传感器可以实现低至50 Pa的探测灵敏度和高达40 MHz的探测带宽。基于π-BGs的光学超声传感器本质上是在光纤或波导上加工而成的一维谐振腔体。在这些微型谐振腔中，光被限制在比布拉格光栅物理尺寸更小的维度内。微环谐振腔具有高品质因子、微型化和光透明等优势，迄今为止，文献中已经报道了使用聚合物、硅，甚至硫化物等材料制备的基于微环的光学超声传感器。
图1 基于平凹光学谐振腔的超声传感器
图2 基于π-BGs的点状硅波导标准检测器（SWED）
图3 基于硅光体系的超声探测器
大多数基于微型谐振腔的光学超声传感器都是单元素的，而在实际应用中多元素的传感器阵列可以极大地提高成像速度、提升成像视场和接收角度。尽管法布里-珀罗干涉仪本身是一个二维传感器阵列，但该类传感器阵列的并行寻址通常涉及光电探测器阵列的使用，大幅增加了电路复杂性且容易造成信号串扰。类似地，基于光纤光学的探测器阵列也需要相当复杂的寻址系统。
图4 基于微环传感器阵列的并行寻址原理
光学超声传感器的成像应用
凭借其卓越的性能，光学超声传感器已被初步用于PAI应用中，如在光声显微成像（PAM）及对光声内窥镜（PAE）中对单细胞、小鼠耳朵和小鼠大脑等进行高分辨率成像，以及在成像深度高达8 mm的深层生物组织中对活体斑马鱼全身的光声计算断层扫描成像（PACT）。
图5 全光学前视PAE传感器
图6 体外鸭胚的光声图像
图7 小鼠腹部皮肤微血管的光声图像
图8 使用usCCW进行体内PAM皮质成像
图9 通过usCCW对皮质区域进行长期的PAM成像
研究展望
与压电超声传感器相比，基于微型谐振腔的光学超声传感器的主要优势在于保持微小尺寸的同时，而不牺牲灵敏度。然而，近期也有研究者们评论道，光学超声传感器目前所展现出来的性能优势并不足以让其在各个PAI领域都替代已商业化的压电超声传感器。诚然，由于PAM成像深度较浅且多数时候仅需要单个传感器，光学超声传感器的大带宽优势能够通过提供更优的轴向分辨率而得到体现。然而，PACT通常需要使用传感器阵列来实现高速成像，光学超声传感器在并行寻址方面的缺失和问题此时便展现出来。同时，PACT由于成像深度较深的原因仅需对低频超声波进行探测，光学超声传感器的大带宽优势此时显得毫无用武之地。此外，由于超声波的探测通常处于远场，传感器阵列中的元素只需跟超声波远场时的半波长相匹配，并没有对于微米甚至纳米尺度片上传感器的需求。
当前，研究者们在光学超声传感器方面取得的创新成果已经开始不断突破超声波的探测极限，虽然仍然存在许多问题和不确定因素，但这些研究成果必将推动PAI在实现更深和更高分辨率成像方面取得重要进展。
论文信息：
DOI: 10.3788/LOP232279
