光声成像是近年来迅速发展的一种新型生物医学成像技术,它采用“光学激发、超声探测”的独特工作方式,不仅具有统一的光学对比度,同时可实现从微观至宏观全方位的多尺度成像。因此光声成像为脑科学、代谢生物学等生命科学研究提供了重要的影像学依据,在肿瘤与心血管病等重大疾病的诊断上具有重要的作用。在光声成像中,常采用压电陶瓷材质的超声换能器作为声波探测器,然而这种刚性材质的探头,柔性特质差,存在着焦距固定、景深有限等问题,同时尺寸比较大,可探测孔径比较小,因此限制了其在系统中的使用灵活性和成像的质量。针对这一问题,本文充分发挥了光纤结构小巧和柔性可弯曲的优势,实现了以光纤激光器为声波敏感基元的跨尺度光声成像应用。当光纤激光器的谐振腔较短时,光纤轴向能量分布比较集中,可有效地降低因球面波与线形直光纤相位不匹配而引起灵敏度失调的影响,因此较适用于针对浅层组织的光声显微成像。当光纤谐振腔为长腔时,光纤轴向能量分布比较均匀,将光纤弯曲后可有效地压缩轴向能量,产生一种声透镜式的超声聚焦效果,解决了线形直光纤声波灵敏度随深度增加而下降的问题,非常适用于深层组织的光声层析成像。因此我们将不同状态下的光纤超声传感器分别应用到了光声显微成像和层析成像,实现了跨尺度光声成像。最后我们通过对聚焦光纤曲率半径的动态调谐,进一步实现了多深度光声层析成像,完成了向临床推进的重要一步。论文中具体的研究内容有:1.光纤超声传感器的敏感机理、空间灵敏度特性研究及其光声显微成像应用研究。首先利用声波入射弹性固体的散射模型理论,研究了线形直光纤对平面声波和球面声波的响应特性,发现由于球面波波前与直光纤轴向不匹配,导致了声波真正有效的作用长度远小于传感器灵敏区域。因此我们提出缩短光纤激光器谐振腔的长度,可有效地降低因长度失配而造成的影响,从而提升对近距离声波的探测灵敏度。与此同时我们还研究了光纤超声传感器在径向、角向、轴向的超声灵敏度分布,揭示了光纤激光器的空间声波响应特性规律,为接下来的光声成像应用提供了必备的条件。最后我们将这种短腔光纤激光器应用到了适用于浅层组织的光声显微成像中,并验证了它在灵敏度方面的优势。2.光纤超声传感器的无透镜弯曲聚焦及光声层析成像应用。由于线形直光纤与球面波作用时波前相位不匹配,存在声压正负抵消的问题,导致远距离的声波探测灵敏度急剧下降,无法用于深层次（厘米级）组织成像。针对这一问题,我们利用了弯曲光纤对焦点附近声源的波前相位匹配的优势,大幅度地提升了焦点附近的声波灵敏度。当弯曲光纤焦距为3 cm时,聚焦型光纤与无聚焦直光纤情况相比,灵敏度提升了5.5倍左右。此外,该聚焦型光纤还能有效地压缩声场灵敏度的空间分布,提供良好的层析能力。因此我们将其应用到了环形扫描的光声层析成像当中,获得了70μm的平面分辨率和500μm的层厚分辨率,以及直径为7 mm视野区域,最终实现了对活体小鼠大脑皮层血管和活体斑马鱼结构的高质量成像。3.焦距可调谐光纤传感器研制及其多深度光声层析成像应用。在上一章的基础上,我们充分利用了光纤的柔性特质,进一步地研制了焦距可调谐光纤传感器。它对于光纤的声波空间响应具备良好的调控能力。基于这一特性,我们将其应用到了线形扫描的多深度光声层析成像中,实现了2-6 cm不同深度的头发样品成像;同时该系统在150μm×300μm×85μm的空间分辨率下,成功实现了对大鼠腹部皮下血管的高分辨率三维光声成像。