生物医学工程是一门运用自然科学和工程技术的原理与方法,研究各种生物体特别是人体的结构、功能以及其它生命现象的科学。生物医学成像技术是生物医学工程领域最重要的组成部分之一,通过采用光学显微、磁共振等物理手段,获取人体组织内部的空间光学吸收分布函数,提取人眼无法获取的有用信息,为疾病的早期诊断提供重要依据,对人类健康具有重要意义。其中,光声成像方法是基于光声效应、以超声信号检测为物理手段的新型成像方法,它结合了光学成像的高对比度优势和超声成像的高穿透深度特性,成为当今生物医学工程研究领域的热点。如何实现具有高探测精度、高对比度、高空间分辨率的光声成像手段成为该领域研究人员的共同目标。超声信号检测是光声成像技术中的关键技术环节,传统采用压电式传感器进行超声信号探测,其灵敏度相对较低,响应带宽窄,不利于实现高性能成像。与之相比,光纤超声传感器具有较高的探测灵敏度,以及抗电磁干扰的特性。为了实现高灵敏度、高对比度和高空间分辨率的光声成像方法,我们提出采用微纳光纤光栅Fabry-Perot干涉仪进行超声信号探测。与传统光纤超声传感器相比,这一器件是在直径仅为几个微米的光纤上制作的,具有更高的空间分辨率和更好的成像对比度特性。同时,借助微纳光纤的强瞬逝场作用和高反射率的光纤光栅刻写技术,对超声信号的响应灵敏度也显著提升。本文的主要内容包括:微纳光纤光栅Fabry-Perot干涉仪是进行光声成像的物理基础,本文首先对其制备工艺、光谱特性和传感特性进行了研究。该器件是采用193nm准分子激光器在微纳光纤上依次刻写两根光栅而制成的。采用多模光纤进行微纳光纤的拉制,以提升模场与光栅的空间交叠区域,从而解决了成栅效率低下的问题。采用数值模拟方法获得了微纳光纤光栅Fabry-Perot干涉仪的光谱特性,对光纤几何尺寸、光栅反射率等参数对其透射光谱的影响机理进行了分析。通过研究该器件对温度和折射率的响应特性发现,基模和高阶模干涉峰对折射率和温度的灵敏度不同,基于这一特性可以有效去除温度的交叉敏感性问题。利用微纳光纤光栅Fabry-Perot干涉仪进行超声探测是实现光声成像的基础,我们对这种超声传感器的响应机理和增敏方法进行了深入研究。首先,理论分析了这种超声传感器的响应机理,揭示了倏逝场对于这种声传感器灵敏度所起的关键性作用。实验上采用直径为5.2μm的声传感器,实现了超声灵敏度为1.845mV/kPa。在传统单模光纤中采用相同方法制成的声传感器灵敏度仅为0.184mV/kPa,这说明微纳光纤的倏逝场作用使灵敏度提升了10倍。进一步研究了这种声传感器的输出电压功率谱和频率响应谱,测量了超声检测的方向依赖性。提出增强超声灵敏度的两个方法:一是通过增加光纤光栅的反射率,从而提高干涉条纹锐度,另一种是通过减小微纳光纤直径从而增强倏逝场作用。微纳光纤光栅Fabry-Perot干涉型声传感器的研究是实现生物医学光声成像的基础,我们对这种声传感器的响应原理、提高灵敏度的方法以及传感特性进行了深入研究。首先,理论分析推导了这种声传感器的响应机理,揭示了倏逝场对于这种声传感器灵敏度所起的关键性作用。找出了进一步提高灵敏度性能的两个因素:一种是通过增加光纤光栅的反射率从而提高干涉条纹斜率的方法,另一种是通过减少微纳光纤直径从而增加模式折射率变化的方法。其次,实现了采用这种声传感器测量声压的方法,直径为5.2μm的声传感器的灵敏度为1.845mV/kPa。而同样条件下,普通光纤制成的声传感器的灵敏度为0.184mV/kPa,其灵敏度比普通单模光纤的高出10倍。最后,进一步研究了这种声传感器的输出电压功率谱和频率响应谱,验证了微纳光纤光栅Fabry-Perot干涉型声传感器的检测方向特性。基于以上研究,本文采用微纳光纤光栅Fabry-Perot干涉型超声传感器,实现了高灵敏度、高空间分辨率的生物医学光声成像。我们分析了生物组织的基本特性,研究了光声信号的产生条件。然后根据光声信号的声压波动方程对光声信号的机理进行了阐述,同时给出了采用的图像重建方法及其数学推导过程。对成年人体的头发进行了光声成像实验,采用所研制的超声传感器,对由激光诱导的超声信号进行扫描探测,并对测得的信号在扫描柱面上的空间分布重构空间光学吸收的二维分布图像,光声成像的空间分辨率达到了95μm。最后研究了测量位置数对光声成像质量的影响,发现提高测量位置数目能够提高重建图像的质量和空间分辨率,但是二者的关系并不是一个线性的关系。在实际研究中,需要综合考虑成像质量、空间分辨率、扫描速度等因素,提出优化的测量方案。