[发明专利]基于饱和吸收效应的超分辨光声成像系统及方法

权利要求书

1.一种基于饱和吸收效应的超分辨光声成像系统，其特征在于，包括激光发射模块、激光分束/合束模块以及信号采集/扫描成像模块；

所述激光分束/合束模块包括第一分束片、第一反射镜、斩波器、第二反射镜、第二分束片、光学延迟单元和涡旋玻片，所述第一分束片、第一反射镜、斩波器、第二反射镜、第二分束片依次相连，构成第一光学支路，所述第一分束片、光学延迟单元、涡旋玻片和第二分束片依次相连，构成第二光学支路；所述激光发射模块与第一分束片相连，所述第二分束片与信号采集/扫描成像模块相连；

所述激光发射模块包括短脉冲激光器、第一透镜、第二透镜和针孔，所述短脉冲激光器、第一透镜、第二透镜和第一分束片依次相连，所述针孔设置在第一透镜和第二透镜的共焦处。

2.根据权利要求1所述的超分辨光声成像系统，其特征在于，所述光学延迟单元包括第三反射镜、回射镜、一维平移导轨和第四反射镜，所述第一分束片、第三反射镜、回射镜、第四反射镜、涡旋玻片和第二分束片依次相连，构成第二光学支路，所述回射镜安装在一维平移导轨上。

3.根据权利要求1-2任一项所述的超分辨光声成像系统，其特征在于，所述信号采集/扫描成像模块包括第五反射镜、物镜、超声探头、扫描平移台、前置放大器、锁相放大器和实验机，所述第二分束片、第五反射镜、物镜、超声探头、前置放大器、锁相放大器和实验机依次相连，所述超声探头设置在扫描平移台上，用于将光声信号转化为电信号。

4.根据权利要求3所述的超分辨光声成像系统，其特征在于，所述信号采集/扫描成像模块还包括滤波器，所述滤波器设置在超声探头和前置放大器之间。

5.根据权利要求3所述的超分辨光声成像系统，其特征在于，所述超声探头上放置有样品、载玻片和盖玻片，所述样品夹在载玻片与盖玻片之间，且载玻片与超声探头之间涂有超声耦合液。

6.一种基于饱和吸收效应的超分辨光声成像方法，基于权利要求3-5任一项所述的超分辨光声成像系统实现，其特征在于，所述方法包括：

在激光发射模块中，短脉冲激光器产生一束激光，依次经过第一透镜、针孔和第二透镜，对激光束进行空间滤波、准直和扩束，获得高斯光束；

高斯光束进入激光分束/合束模块，被第一分束片分为两束激光，一束激光经过第一光学支路，被斩波器进行强度调制，形成调制高斯光束；另一束激光经过第二光学支路，由涡旋玻片转换成Laguerre-Gaussian模式光束；这两种不同模式的光束被第二分束片汇聚成一束；在第二光学支路中，光学延迟单元控制好两种不同模式的光脉冲照射到样品的时间差，使Laguerre-Gaussian模式光束先入射到样品表面，在处于激发态的粒子弛豫到基态之前，再使调制高斯光束入射到样品表面；

汇聚后的光束进入信号采集/扫描成像模块，被物镜聚焦照射到样品上，激发出光声信号光声信号被超声探头转化为电信号，经过前置放大器进行电压放大，再将放大后的光声信号送入锁相放大器的检测信号输入端；同时锁相放大器的参考信号输入端接收与斩波器调制频率同频的TTL信号，锁相放大器提取出与斩波器调制频率对应的光声信号幅值；

在信号采集/扫描成像模块的实验机中，采集锁相放大器解调后的信号并保存在实验机中，控制扫描平移台对样品进行水平面方向上的二维平面扫描；扫描平移台每移动一步，经历与锁相放大器的积分时间相匹配的时间延迟之后，采集一次锁相放大器解调后的信号，二维平面扫描区域采集得到的光声信号与样品激发位置坐标一一对应。

7.根据权利要求6所述的超分辨光声成像方法，其特征在于，所述超分辨光声成像的横向分辨率计算如下式：

其中，NA是成像物镜的数值孔径，NA＝nsinθ，ζ是饱和因子，表示Laguerre-Gaussian光强与饱和光强的比值。