利用倏逝光声波实现多域成像的超临界角光声显微技术(SA-PAM)

研究人员针对传统光声显微技术(PAM)在生物组织成像中存在的散射限制问题，创新性地探索了倏逝光声波(evanescent PA waves)在PAM中的应用。通过将样品置于界面附近，成功实现了超临界角光声显微技术(SA-PAM)，该技术能够重建表面形貌并进行边缘检测，为生物医学成像提供了新的维度。这项研究不仅揭示了倏逝光声波的特性，还推动了光声技术的发展。

　　

在生物医学成像领域，光散射问题一直是制约光学显微镜性能的瓶颈。虽然光学显微镜通过探索倏逝波(evanescent waves)取得了显著进展，但倏逝光声波在光声显微技术(PAM)中的潜力却长期未被发掘。传统PAM主要利用声波的飞行时间信息，而声波的多维信息尚未得到充分开发。这一技术空白促使研究人员思考：能否像光学显微技术利用倏逝波突破衍射极限那样，通过声学倏逝波为PAM带来新的突破？

为了解决这一问题，国内某研究机构的研究人员开展了关于倏逝光声波的系统性研究。他们发现，当激光紧密聚焦到小于声波波长的区域时，会普遍产生倏逝光声波。通过将样品置于界面附近，这些倏逝波可以被引导到远场超临界角(SA)区域。这些SA-PA信号展现出独特的特性，包括强度对源深度的依赖性和远场角度模式的对称性。基于这些发现，研究人员开发了概念验证性的超临界角光声显微技术(SA-PAM)，相关成果发表在《Photoacoustics》上。

研究采用了几个关键技术方法：1) 角度分辨PAM系统，通过旋转超声换能器获取远场角分布；2) 有限元数值模拟，分析点声源在界面附近的声场分布；3) 楔形样品制备技术，实现深度参数的连续变化；4) 三换能器固定阵列方案，实现快速多角度信号采集。

在"2. 倏逝光声波"部分，研究通过数值模拟和实验验证了倏逝PA波的产生机制。当声源深度d小于S波波长λ_S
时，除了常规UA-PA信号外，还会在超临界角区域出现SA-PA信号，形成三瓣远场模式。研究发现η=(P_l
+P_r
)/2P_c
与深度d呈指数关系η=η₀
e^-κd
+b，其中κ≈5.2 mm^-1
，与理论预测的|κ_S
|=5.3 mm^-1
高度吻合。

"3.1 SA-PAM概述"介绍了系统工作原理。与传统PAM仅利用单一方向声波不同，SA-PAM通过分析远场角分布实现多功能成像。系统采用水浸式设计，样品嵌入玻璃等高声速介质中，激光聚焦产生点声源，由旋转或固定阵列换能器检测角分布信号。

"3.2 SA-PAM的深度敏感性与表面重建"展示了技术应用。通过铬薄膜楔形样品实验，证实SA-PA信号对深度变化敏感，而UA-PA信号保持恒定。利用η-d关系，成功重建了样品表面形貌，在100μm厚玻璃覆盖的USAF-1951样品上实现了约33μm的边缘检测分辨率。

"3.4 蜜蜂翅膀的SA-PAM成像"验证了生物应用潜力。研究将蜜蜂翅膀嵌入环氧树脂，通过SA-PAM同时获得了翅膀表面形貌和翅脉边缘信息，展示了技术在复杂生物样品成像中的优势。

在讨论部分，研究人员展望了SA-PAM的多种改进方向。提出可采用半球形硅橡胶基底替代平面界面，使技术更适用于生物组织成像。指出倏逝PA波的潜力不仅限于PAM，还可用于光学镊子等精密操控系统。特别强调，任何亚波长尺度的局部结构都可能成为倏逝PA波源，这为发展声学超分辨成像提供了新思路。

这项研究的创新性在于首次系统性地探索了倏逝声波在PAM中的应用，开发了SA-PAM这一新型成像模式。技术突破体现在：1) 实现了基于声学倏逝波的纳米级深度敏感成像；2) 开发了同时获取结构形貌和边缘信息的多功能成像方法；3) 为突破声学衍射极限提供了新途径。这些进展不仅丰富了光声技术的内涵，也为生物医学成像、材料表征等领域提供了新的研究工具。