光动力治疗以其高度选择性和低侵入性已在肿瘤和皮肤类疾病的临床治疗中展现出巨大的优势和广阔的前景。基于近红外光激发的双光子光动力治疗克服了传统紫外-可见光在生物组织中穿透能力有限的缺点，同时，非线性光学效应提升了光激活的时间和空间分辨率，使得其在深层肿瘤和病灶的精准诊疗中受到广泛关注。本文介绍了双光子光动力的基本原理，总结了目前高效双光子光敏剂的开发设计以及双光子光敏特性的表征技术，以具有聚集诱导发光特性的光敏剂为代表，对当前双光子光动力治疗的研究进展进行讨论和分析。最后对双光子光动力治疗未来的发展方向进行了展望。

鲜红斑痣(port wine stains, PWS)是最常见的先天性皮肤微血管病变之一，PWS的病因是皮肤真皮层由浅至深的毛细血管畸形扩张。通常表现为面颈部粉色、红色和紫色斑片，随着年龄的增加，其逐渐加深和增厚，严重影响患者的生活质量。血管靶向光动力疗法 (vascular targeted photodynamic therapy, V-PDT) 可以选择性破坏病变血管，是目前国内治疗PWS的首选方法。V-PDT疗效与PWS病灶结构密切相关。PWS的病灶结构可通过活检或者无创光学诊断设备获取，主要包括表皮层黑色素含量、皮肤厚度及血管管径、深度和形态等。总结了目前常用的无创在体光学成像技术在PWS诊疗中的应用现状及PWS病灶结构特点对V-PDT疗效的影响，旨在为V-PDT精准及个性化治疗PWS提供参考。

飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，具有精准性、安全性和可重复性高等特点，近年来在角膜屈光手术中的应用日渐成熟。目前飞秒激光在角膜基质透镜取出术、穿透性角膜移植术、深板层角膜移植术和角膜基质环植入术中取得了良好疗效，为以往只能通过常规角膜交联和角膜移植手术进行治疗的进展期圆锥角膜提供了更多的治疗方法，包括飞秒激光辅助的囊袋内交联、角膜基质透镜植入和角膜基质环植入联合角膜交联等，克服了以往单纯手术方法只能改善视力或加固角膜的缺点，但同时存在因术中切换手术室增加感染可能、设备故障导致切割不完全、参数设置欠佳导致术中和术后出现并发症等风险。本文对飞秒激光在眼科特别是圆锥角膜治疗方面的最新应用和进展进行综述。

光动力疗法是一种利用特定波长的光激发光敏剂产生活性氧，进而杀死肿瘤细胞或者病变组织的方法。近年来，光动力疗法以其非侵入性、副作用小等优点受到了国内外的广泛关注，但该方法的应用却受到了激发光穿透深度及光敏剂亚细胞靶向能力的限制。本研究团队合成、表征了具有核仁靶向能力的碳点光敏剂，并将其用于细胞双光子光动力疗法，在低剂量的光照和光敏剂条件下，获得了优异的治疗效果。

波长是生物组织激光消融必须考虑的首要因素。本文以9.3 μm CO₂激光为实验光源，以离体黄种人牙硬组织作为实验样品，开展了激光消融特性和光剂量学实验研究，获得了该波长激光辐照牙釉质与牙本质的消融阈值，评估了消融弹坑的表面形貌、几何尺寸、消融率、消融效率等消融特性与能量密度的相关性。实验结果表明：9.3 μm CO₂激光辐照牙釉质的消融阈值大于其辐照牙本质的消融阈值；牙本质与牙釉质的消融深度、消融直径、消融率均随能量密度增大呈递增变化；当激光频率为500 Hz、能量密度为106.10 J/cm²时，消融率达到最高，且牙本质与牙釉质无明显的碳化迹象。本研究结果对该波长激光的临床应用具有一定的参考价值。

声学分辨率光声显微技术具有较高的光学对比度和声学分辨率以及大穿透深度等优势，是一种具有广阔应用前景的生物医学成像技术。聚光镜聚焦与单侧侧面激发等传统的激发方式具有光斑不均匀、存在光学热噪点、光能利用率低等不足，在一定程度上限制了声学分辨率光声显微技术的临床前和临床应用。本团队通过改进声学分辨率光声显微镜的激发方式，由单侧激发改为双侧激发，提升了成像过程中光束对复杂生物组织的覆盖面积，从而提升了成像质量。结果表明，双侧激发方式使得声学分辨率光声显微镜在复杂生物样品成像过程中可以获得更高的对比度和信噪比，成像性能更好。

远场光学显微成像是获取待测样品三维结构信息及其动态变化不可或缺的技术。非接触无损害的快速光学三维显微成像技术在生物细胞、生物组织等生物医学成像领域具有独特的应用优势和巨大的应用需求。受限于目前的光电器件只能实现光强的直接探测，光学显微三维成像技术往往通过扫描技术、编码技术或数值算法等将光场的相位等信息转换为光强信息，再通过探测被待测样品调制的光波场强度的变化解析出原始样品的信息，以实现对样品三维形貌、内部结构或折射率分布等多种信息的可视化。利用光波的相干性，结合适当的分波技巧，实现两束光的互干涉或自干涉，将光波场相位信息编码至干涉图样的强度分布中，然后结合适当的算法对干涉图样进行重建，是实现光学三维显微成像的一个重要技术。本文对基于光的干涉，利用干涉条纹的强度提供成像对比度的三维显微成像技术进行综述，阐明了激光照明的数字全息显微、部分相干光照明的数字全息显微、光学相干断层显微和空间非相干光照明的自干涉数字全息显微成像技术的基本原理、成像特性，以及该类技术在样品定量相衬成像、三维层析成像、非扫描快速三维显微成像等领域的应用，同时对该类技术衍生的新技术以及该类技术的未来发展方向进行了详细讨论。

光学相干层析成像(OCT)的质量通常会受到固有散斑噪声和低采样率的影响。为了在短扫描时间内获得高信噪比和高分辨率的OCT图像，本文提出了一种改进的OCT图像超分辨率重建网络模型PPECA-SRGAN。该模型将生成对抗网络(GAN)作为基础结构，可以不依赖配对数据集进行训练。在该模型的生成器残差块之间添加了金字塔注意力模块PANet，同时在判别器中加入了本文新提出的PECA模块，使其更加注重捕捉图像细节，提升模型对图像边缘纹理的重建能力。将所提PPECA-SRGAN模型在OCT图像数据集上进行实验，得到的峰值信噪比和结构相似性指标的平均值较当前三种经典模型的平均值分别约提高了3.5%和5.6%。实验结果表明，所提模型在鲁棒性和OCT图像细节重建方面较经典模型有较大提升。

光纤光声成像技术利用光纤传感器来探测由激光脉冲在生物体内激发出的超声波，从而实现对目标组织成分的高对比度成像。光纤超声传感系统的噪声特性是成像信噪比的决定性因素之一，本研究团队详细分析了超声敏感元件——正交双频光纤激光器与光放大器、光电探测器及数据采集模块等各环节对噪声的贡献，同时分析了系统噪声、拍频信号功率和频率噪声与光功率(或者光电流)之间的关系。研究结果表明，通过光放大器提升注入光探测器的光功率能够显著提升光纤传感系统的信噪比，当注入光探测器的光功率达到10 mW以上时，拍频信号频率抖动的均方值可由74 kHz降低到44 kHz，在50 MHz带宽内提供的噪声等效声压由32.9 Pa降低到19.5 Pa，信噪比提升4.5 dB。进一步，本研究团队基于光纤超声传感器构造了光纤光声显微镜，并采用该显微镜对小鼠耳部血管进行活体成像，结果发现提升信号光功率能够显著增强图像的信噪比。

在介质中传播的光的吸收系数、散射系数、各向异性因子和折射率可以用于介质物理与化学特性的检测，因此，这四种参数的反演方法研究非常重要，但目前缺乏能够同时识别这四种参数的算法。针对该问题，提出利用多个角度激发的漫反射光信号增加信息的丰富性，并通过残差神经网络实现浑浊介质吸收系数、散射系数、各向异性和折射率识别的方法。通过蒙特卡罗模型模拟了各种条件下的漫反射光信号，对所提方法进行了验证。在仿真过程中，考虑光纤大小和发散角，并在漫反射光强信号中加入不同等级的噪声以提高网络的泛化能力和抗噪性能。结果表明，当信噪比为40 dB时，所提方法对浑浊介质的吸收系数、散射系数、各向异性因子以及折射率的识别结果的平均相对误差分别为8.6%、4.6%、1.7%和0.9%，验证了所提方法的高精度。

结构光照明显微镜凭借其所需的激发光强度低、曝光时间短、光毒性小、无需特定的荧光探针等优点，非常适合于活细胞的超分辨率成像；然而，如果结构光照明显微镜采集的原始图像的信噪比较低，则原始图像中包含的高斯噪声和泊松噪声将导致超分辨率图像重建过程中出现参数估计准确率低、重建伪影多等问题。为了准确估计初始相位和调制深度参数并衡量估计准确率，本文提出了经验模态分解算法和分散指数指标，前者可准确估计初始相位和调制深度，后者可实现估计准确率的客观评价。同时，为了解决重建伪影的问题，本文进一步提出了基于相似块的图像去噪算法，该算法能够在保留原始图像中照明结构光特征的同时抑制图像中的噪声，进而提升参数估计的准确性，并减少重建图像中的伪影。

提出一种集成手术显微镜的术中光学相干血流造影系统(iOCTA)来实现术中眼底视网膜血流灌注的动态监测。通过光学相干断层扫描血管造影(OCTA)系统的光路与商用手术显微镜的助手镜的成像光路耦合，实现显微镜-OCTA的系统集成，这种简捷的耦合方式便于现有手术显微镜的功能升级。采用基于逆信噪比和去相关的光学相干血流运动造影(ID-OCTA)算法，实现高信噪比的眼底微血管成像。利用该系统实现了活体兔眼的术中眼底血流灌注成像，揭示了血流灌注随眼内压的时空动态演变过程，发现急性高眼内压(60 mmHg；1 mmHg＝133.32 Pa)将导致血流灌注密度值在短时间内降低至基线值的20%以下。所研制的iOCTA系统有望实现眼科手术中眼底血流灌注的实时监测，有助于外科医生客观评价手术过程和预测术后效果。

本文针对普通显微镜相衬成像需要手动聚焦、切换相位板等问题，提出了一种基于深度学习的自动聚焦相衬显微方法，并且基于该方法设计了一种基于U-Net的网络框架。在该网络框架中引入残差模块和空间注意力机制，目的是使网络更好地利用特征图之间的关系，同时使用密集模块加强特征信息复用，以提高网络的性能。采用三种不同类型的样本在不同的焦距下进行训练网络，数值计算和实验结果表明，所提方法可以快速、精准地实现自动聚焦相衬成像，并达到去噪的效果。此外，将本文所提网络框架与U-Net、生成对抗网络进行了比较，较高的SSIM值显示了所提网络框架的优势。最后，使用基于少量数据集即可完成训练的生成对抗网络对自动聚焦相衬成像进行验证，证明了该方法的可行性。本文所提出的基于改进U-Net的自动聚焦相衬成像方法有助于细胞生物学研究。

高传染性病毒对生命安全和社会运行有重大的威胁，快速灵敏的病毒检测是防止病毒爆发的首要手段。基于表面等离子体共振(SPR)和局域表面等离子体共振(LSPR)技术的生物传感器具有快速、高灵敏等特点，在临床病毒检测上有巨大的应用潜力。从抗体、抗原、核酸和病毒颗粒这四类传感器捕获物入手，基于四种病毒检测方法，综述了SPR和LSPR传感器的最新研究成果，对其中应用的传感策略和结合的优化技术进行了分类介绍，并通过对比传感器的检测限，阐述了检测限差距产生的原因。最后，汇总了近十五年来SPR和LSPR病毒传感器的各项参数，对SPR和LSPR传感器在病毒检测领域中的进展进行了总结和展望。

核酸检测是病原体检测的必备流程，也是提升重大疾病和传染病应对能力、实施精准医疗的关键，在疾病防控、临床诊断、生物安全、环境监测等领域被广泛应用。目前临床上常用实时荧光定量聚合酶链式反应(PCR)方法进行核酸检测，但该方法的检测周期较长，且对实验室环境、硬件设备等的要求较高。本文提出了一种基于CRISPR/Cas12a(Cpf1)的核酸便捷化检测方法，并设计了一种现场快速便携式检测装置。基于前期开发的新型管中管耗材，本团队建立了基于肉眼或智能手机识别检测结果的单样本便捷核酸检测方法，并开发设计了多样本同时自动化检测的便携式小型化装置以及基于同轴光纤的荧光检测光路。基于上述方法和装置对新型冠状病毒核酸进行检测，检测灵敏度低于10 copy/μL，检测时间可缩短至32 min，检测过程中无需开盖，适用于家庭自检或现场快速检测。

连续血糖监测是糖尿病预防、诊断及管理过程中的有效手段。然而，现有的电化学连续血糖监测系统仍存在开放式创口植入、易引起炎症、监测时间短等缺点。光学传感为连续血糖监测提供了新方法，本团队设计开发了可见光激发的发光纳米粒子葡萄糖传感器，其高亮度的发光传感特性有助于经皮血糖信号检测。基于比率荧光策略设计的发光纳米粒子可以校准激发光强变化和采样环境变化等带来的信号误差，可见光激发发光特性可以避免紫外光激发采样对机体的伤害，在高频率长时段的信号采集应用中具有明显优势。

在对活体生物组织有强吸收的激光辐射热疗领域，理论研究对理解治疗过程具有不可替代的作用。由于激光源的激发时间相对于组织平衡时间非常短，因此非傅里叶模型在理论研究中越来越重要。目前，恒定热流被认为是一个独立于时间的物理量，根据该物理量得到的结论与现有文献中的实验结果不一致。本文基于恒定热流随时间的变化，建立了修正的非傅里叶边界条件，并应用积分变换方法获得解析解。与文献中已有的结果相比，当前修正模型得到的温升和温度分布曲线与文献中的实验结果一致。本文认为基于时间无关的非傅里叶边界条件是不符合热平衡的。进一步，在修正的非傅里叶边界条件下，本文讨论了单相滞后模型(SPLM)和两相滞后模型(DPLM)的不同传热机理及其与现有描述的不同。

提出一种联合表面增强拉曼散射(SERS)与卷积神经网络(CNN)的方法，并将其用于食源性致病菌的快速鉴定。以带正电荷的银纳米颗粒(AgNPs^＋)为SERS 基底，采集了金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、副溶血性弧菌以及单增李斯特菌的SERS指纹谱，并在这些数据上训练了一个包含11个一维卷积层的残差网络ResNet11用于这4种病原菌SERS指纹谱的分类识别。实验结果表明：AgNPs^＋是一种优秀的SERS增强基底，可在624 cm^－1、730 cm^－1等波段增强4种病原菌的主要拉曼峰；构建的ResNet11分类器对10⁷ mL^－1菌液分子浓度下采集的SERS指纹谱取得了99.30%的分类识别准确率，并且对10³ mL^－1菌液分子浓度下采集的SERS指纹谱取得98.00%的识别准确率。

应用拉曼镊子采集了3个酵母菌株在乙醇发酵不同时段的单细胞光谱，并利用多元曲线分辨-交替最小二乘(MCR-ALS)方法对光谱数据进行挖掘，以提取与特定生物分子相关的光谱曲线，了解不同酵母菌株的乙醇发酵代谢差异与适应机制。结果发现：工业菌株Bp1的发酵性能最好，实验室菌株INVSc1次之，而W303a菌株最差；MCR-ALS可从3个菌株中分别解析得到5个、5个和3个代表不同类型的生物大分子光谱曲线；Bp1菌株会增加麦角甾醇的含量和三酰基甘油的积累，以赋予细胞更高的乙醇耐受性；同时，不同生物大分子在Bp1细胞间的含量相对均一，而INVSc1和W303a菌株的胞间异质性比较大，显示出细胞异质性对菌株的发酵性能和发酵效率有重要的影响。拉曼光谱结合MCR-ALS，可以作为一个简单而强大的工具，用于快速分析酵母细胞在发酵过程中的代谢变化，进一步了解酵母细胞的抗逆机制。

持续的新型冠状病毒肺炎疫情大流行下，世界各国亟需可在空气中灭活细菌病毒的新方法。典型的杀菌紫外线波长为254 nm，但该辐照对人体细胞有害。有研究表明，200～230 nm远紫外线能灭活病原体，且对人体细胞无害。目前通常采用准分子灯发射的远紫外线来灭活细菌病毒。激光能实现远距离传输，在远距灭菌消毒领域可弥补准分子灯光源的不足。本文采用自主研制的全固态228 nm远紫外脉冲激光作为光源，在2 mJ/cm²和6 mJ/cm²低剂量照射下对大肠杆菌和芽孢杆菌的灭活率均高达100%。该实验结果表明，228 nm 远紫外脉冲激光具有较强的抗菌特性。