什么是光声显微镜?

[拼音]：guangsheng xianweijing

[外文]：photoacoustic microscope

在光声光谱技术和声学显微镜的基础上研制的一种新型显微成像装置。

光声显微镜基于固体的光声效应原理。物质受到光照射时吸收光能而受激发，然后通过非辐射的消除激发过程使吸收的光能全部或部分地转变为热能。如果照射的光束经过周期性的强度调制，则在物质内就产生周期性的热流。热流使物质及其邻近介质热胀冷缩，从而使应力产生周期性变化，即声信号。声信号的频率与光的调制频率相同，声信号的强度和相位则由物质的光学、热学、d性特性以及样品的几何形状决定。将光声效应用于显微镜可得到样品的光学、热学、几何的和d性的结构像。

光声显微镜的研制工作开始于20世纪70年代后期。已出现多种类型的光声显微镜系统，一般可分为三种。

（1）微波超声频段的光声显微镜系统

由透射式声学显微镜改造而成。它将锁模Q开关(Nd:YAG)激光聚焦成2微米左右的光束，取代声学显微镜的输入声透镜和换能器，但仍沿用声学显微镜的输出声透镜和换能器接收光信号。例如锁模脉冲列的重复频率为210兆赫，样品能产生其谐频的超声信号。因此接收换能器的工作频率为 840兆赫。当以二维光栅形式扫描样品时，光束射到样品上的位置可连续改变，光声信号作为位置的函数被记录并显示。系统的分辨率与光点的尺寸与热扩散长度(即热波波长)有关，但高频的热扩散长度很短，所以主要由光点尺寸决定。

（2）音频范围的光声显微镜系统

用光声光谱仪（用传声器接收声信号）改装成的光声成像系统。光源为单色连续激光，利用机械斩光器进行强度调制，再经光学透镜聚焦在样品上。样品和光声信号接收器安装在特殊设计的光声盒（样品盒）内，工作频率一般低于2千赫。虽然这种光声显微镜系统易于实现，但由于频率较低和样品的热扩散长度较长，对亚表面结构成像的分辨率也较低。

（3）用压电换能器接收声信号的光声显微镜系统

压电换能器通过声耦合介质直接与样品接触而接收光声信号。光声信号的压电检测有如下优点：

（1）不必采用封闭的光声盒，样品的尺寸不受限制；

（2）接收灵敏度较高，适用于吸收光较弱的样品；

（3）检测频域广：从音频到超声频段都可以使用。

光声显微镜用于检测物质在吸收光能后所产生的热波和物质受激发后产生的声信号。利用光声效应检测物质的结构很灵敏。此外，由于热波波长较短，即使光声显微镜的工作频率不高（如1兆赫），其分辨率也可达到微波频段超声显微镜的分辨率。因为热波的透入深度随波长而变，改变频率就能对样品的亚表面结构进行分层分析。同时，还可以适当调节接收系统，以接收光声信号的“振幅”或“相位”，从而区别样品的表面结构和亚表面结构。

光声显微镜主要用于三个方面。

（1）在半导体工业中的应用：可以显示硅片及其在制作中金属化和氧化层的几何特征和材料特征方面的资料，如金属化或氧化层中的缺陷、深度剖面结构以及薄膜厚度等。

（2）在无损检测方面的应用：光声显微镜的检测系统一般不需要与被测样品的表面接触，能有效地检测形状复杂的样品（如涡轮定子的某些区域，其检测精度较高，如对表面缺陷的检测可达到几十微米的数量级。

（3）在生物医学方面的应用：光声效应的检测灵敏度高，有可能实现非损伤性的检查。

声信号可由物质吸收的任何形式的电磁能量产生，如电磁波、红外线、可见光、紫外线、 X射线、γ射线等；同时还可由任何粒子与样品的相互作用而产生，如电子、质子、中子、离子、原子或分子等。因此显微镜的入射光束也可以采用其他形式的电磁辐射或粒子束来代替，包括用高频声波作为入射能。利用检测热波信号的显微镜，称为热波显微镜。