三次谐波源于强脉冲激光照射样品时产生的三倍频光响应，可对生物组织实现无标记、亚细胞量级分辨率、近乎实时的成像。通过与二次谐波信号和双/三光子荧光信号相结合，三次谐波显微成像可在肿瘤术中揭示肿瘤组织的典型病理特征信息，比如细胞增生与血管增生等，从而为医生判断肿瘤边界进而做出肿瘤组织彻底切除与否的决策提供实时帮助。本文阐述了三次谐波显微成像的基本原理，讨论了它在肿瘤术中诊断方面的应用，探讨了基于三次谐波的小型化便携术中诊断仪器，并总结了三次谐波内窥成像的发展现状，这些内容的讨论有望推动三次谐波成像技术的临床化。

X射线激发发光断层成像（XLCT）是一种新兴的混合成像技术，该技术可同时获得目标体结构信息和功能信息。然而，窄束XLCT重建图像虽然具有高空间分辨率，但X射线利用率较低，数据采集时间过长；锥束XLCT系统提高了X射线利用率，缩短了数据采集时间，但有限的探测角度导致图像重建质量相对较低。为解决上述问题，提高X射线利用率，高效实现多角度高灵敏数据采集，提出了一种基于光子计数测量的锥束XLCT系统，并通过仿体实验对其性能进行了验证。仿体实验结果表明，6个角度锥束照射模式下重建图像的相似度系数（DICE）可达50%，系统保真度（SF）和重建浓度误差（RCE）达到0.7以上，可实现3 mg·mL^-1以上的荧光物质质量浓度差距的重建。

细胞内存在大量性质各异的大分子复合物，它们是控制生命活动的核心信号枢纽。荧光显微成像因其分子特异性、细胞原位可视化和多色标记解析等优势，已成为当今生物学研究不可或缺的技术手段。而突破光学衍射极限的超分辨光学成像技术为进一步理解多种重要生物百纳米信号体的原位结构和功能调节提供了亚细胞尺度甚至单分子精度的研究思路和方案。首先阐述了超分辨成像和单分子定位显微镜的基本原理，介绍了近年来在多项生命科学研究中的代表性应用案例，结合实际研究经验总结了超分辨光学成像技术在使用中面临的诸多挑战和未来发展方向，提出了基于原位纳米成像解析信号枢纽组织结构将有力促进新型疾病治疗靶点和策略的开发。

超分辨荧光显微镜突破了传统荧光显微镜的分辨率限制，使得人们能够在纳米量级分辨率下观察细胞和组织样品，极大地推动了生命科学的发展。在这一技术中，仪器和样品引入的像差均会导致空间分辨率降低，进而导致成像质量恶化。为此，人们引入了自适应光学技术，通过直接或间接的手段探测像差，再通过波前校正元件来校正像差，从而获得高质量的超分辨图像。本文介绍了自适应光学的起源与工作原理，总结了其在超分辨荧光显微镜中的应用，并展望了其未来的发展前景。

由于具备组织散射少、穿透深度深、时空分辨率高等许多优势，近年来近红外二区（NIR-Ⅱ，1000~1700 nm）荧光成像在生物成像领域取得了显著的进展。基于花菁染料的有机荧光分子，具有荧光量子产率高、吸光系数高、合成过程相对简单、生物相容性好等优势，其在NIR-Ⅱ的荧光特性使其成为一类极具研究价值的分子探针，在医学应用方面展现出巨大的潜力。首先简要介绍了花菁染料的基本特性，其次对最近开发的近红外二区花菁染料在多种疾病（如肿瘤、炎症性疾病和损伤）应用中的最新研究进展进行总结，最后对其未来的发展方向与前景进行了展望。

核孔复合物（NPC）是细胞核膜上由多种蛋白组装而成的复杂结构，在细胞核质交换和信息传递中起着关键作用。单分子定位超分辨成像（SMLM）以其特异性和高成像分辨率成为研究NPC超微结构的主要方法之一。然而，由于抗体标记不完全等因素导致的数据丢失，给后续分析带来了困难。笔者使用SMLM提供的定位信息，结合基于密度的空间聚类算法（DBSCAN）和层次聚类算法进行数据的提取和分类，建立了NPC筛选和定位的分析流程，并采用该处理流程得到了缺失较少且形貌比较均匀的核孔。进一步，基于最小二乘法原理对筛选得到的大量NPC进行质心对齐的重构处理，成功复现出了其经典的八重对称结构，并揭示了核孔蛋白Nup133与Nup98的精确相对位置关系。本研究通过建立核孔筛选和重构的标准流程，填补了SMLM数据的缺失。采用该流程对多种核孔蛋白进行分析，揭示它们的结构特性。所建流程为理解核孔的复杂结构提供了一种高通量的定量分析方法。

白细胞分类在血液分析、临床疾病的诊断和治疗中具有重要意义。人工镜检作为血细胞分析的金标准，耗时较长且高度依赖检测人员的经验。定量相位成像可测量细胞各处的相位分布，是研究细胞形态学和生物化学特征的有效方法。利用基于数字全息显微和明场显微成像的共定位相位成像系统对健康人外周血涂片中的5种白细胞进行研究，定量分析了不同白细胞及其亚结构中的相位分布情况，提取出多个有效辅助白细胞分类的特征参数，并进一步分析了镜检中容易混淆的异型淋巴细胞。结果表明，利用提取的细胞亚结构特征参数可对白细胞进行有效分类，也能较好区分异型淋巴细胞。因此，基于共定位相位成像的细胞亚结构特征参数可为白细胞分类、各类血液疾病的诊断和治疗提供依据和参考，且此种方法无须再对常用的染色样品进行特殊处理，应用场景众多。

宫颈异常细胞与正常细胞在形态上存在较大相似性且细胞尺寸变化较大，这使得宫颈异常细胞的精准检测变得非常困难。鉴于此，开发了一种基于Transformer模型的宫颈异常细胞自动识别模型，以帮助病理学家作出更准确的诊断。提出了两种创新性方法，一是一种改进的Transformer编码器结构，通过引入深度（DW）卷积来高效获取图像的特征，捕捉图像中的全局依赖信息；二是自适应的动态交并比（IOU）阈值，在模型训练的不同阶段使用不同的IOU阈值，实现尽可能多的有效检测，提升模型的收敛速度和检测精度。在宫颈异常细胞数据集上，通过消融实验，证明了改进的Transformer编码器和动态IOU阈值的有效性。此外，与已有的宫颈异常细胞识别方法相比，所提出的方法在平均精度指标上有明显的提高。实验结果表明，所提出的方法能够高效且准确地识别宫颈异常细胞，且能辅助病理专家提高诊断准确率和效率，具有应用到临床的潜力。

果蔬品质检测在其生长、储存各环节都具有重要意义，同时也是栽培、保存方案制订的依据。针对果蔬种植过程中对样本全域生理信息定量实时获取的需求以及现有检测技术的不足，本文从宏观生长的微观物质基础和相位成像机理出发，以番茄果实糖度检测为例，提出了一种果蔬生理信息的相位检测方法，基于细胞相位图像提取两个相位参量并联合宏观糖度值构建数据立方体对番茄糖度分布进行了表征。该方法可根据需要对任意局部区域进行采样检测，无须对细胞样本进行预处理，只需要采集任意角度下的一幅相位图即可，具有数据量小、计算简便的优势，整个分析过程只需要0.5 s左右。与现有成熟检测方法的对照实验表明，细胞相位参量与糖度值表现出了明显的正相关性，且对局部糖度差异敏感。所提方法与高光谱成像检测结果具有良好的一致性。该相位检测表征方法操作简便，运算速度快，可为番茄糖度乃至其他果蔬的多种生理特性快速检测提供参考。

皮肤烧伤是一种常见的皮肤疾病，对皮肤烧伤程度的判别对于后续的治疗具有重要意义。光学相干层析技术是一种具有非侵入性、无损伤性和高分辨率等特点的光学检测技术。偏振敏感光学相干层析成像（PS-OCT）具有传统光学相干层析成像没有的双折射信息对比度，能够对病变皮肤进行高分辨率高对比度的实时三维成像。为推动PS-OCT在烧伤诊断中的临床应用，发展了一种简单紧凑且灵活高效的基于扫频光源、单模光纤和圆偏振态输入的PS-OCT技术，对离体猪皮组织进行了烧伤成像研究，并通过直方图相关性算法获得了图像的差异性量化指标。实验结果表明，与正常的皮肤组织相比，烧伤皮肤组织的胶原蛋白受高温影响后产生了明显的双折射变化。利用偏振均匀度（DOPU）、累积相位延迟（CPR）、Stokes偏振参数等，可以明显观察到烧伤后的皮肤组织变化。研究表明，该PS-OCT技术在烧伤诊断中具有很大的应用潜力，可以辅助医生进行烧伤程度的判断。

近红外二区（NIR-Ⅱ）金纳米团簇（Au NCs）具有明亮的多色荧光、良好的生物相容性和可肾脏清除的特性，已成为当前生物医学光子学领域中备受关注的纳米材料。首先介绍了NIR-Ⅱ Au NCs的合成方法，讨论了其面临的低产率和缺乏规模化制备的问题。其次，介绍了NIR-Ⅱ Au NCs的表面调控技术，讨论了调控团簇表面结构、组成和形态的方法，以及增大发光波长和提高荧光量子产率的方法。然后，总结了NIR-Ⅱ Au NCs在血管成像、淋巴管和淋巴结成像、肿瘤成像以及成像引导治疗等方面的最新研究进展。最后，讨论了NIR-Ⅱ Au NCs在生物医学光子学领域中面临的机遇与挑战。

结肠癌已成为我国主要癌症发病种类之一，传统的治疗方法难以抑制其转移和复发。免疫疗法虽然可以通过机体免疫系统清除肿瘤组织，但肿瘤组织中的免疫抑制微环境，往往会导致效果不及预期。光学疗法，包括光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT），不仅可以直接诱导肿瘤细胞凋亡和坏死，还能改善肿瘤组织中的免疫抑制环境，从而促进免疫细胞在肿瘤组织中的浸润和活性，提高免疫治疗效果。笔者创新性地利用吲哚氰绿（ICG）介导的光学疗法和天然免疫活性分子羽扇豆醇（Lupeol）对自然杀伤（NK）细胞免疫活性的提升作用实现光-免疫协同激活作用和抗肿瘤效果，通过纳米脂质体将ICG和羽扇豆醇整合得到Lip-Lupeol & ICG，并将其用于结肠癌细胞灭活研究。结果显示：Lip-Lupeol & ICG在通过两次间隔激光照射后可实现PTT和PDT的两次治疗作用，可将结肠癌细胞活性抑制至43.4%；与此同时，包裹的羽扇豆醇释放后可与光学疗法协同激活NK细胞活性，将结肠癌细胞活性进一步抑制至16.7%，为临床结肠癌治疗提供了一种新思路。

生物组织光学参数的无创在体测量是近红外光谱学（NIRS）研究的基础课题之一。在已发展的NIRS方案中，时间分辨测量具备优良的同时反演吸收系数和散射系数的能力，而且近年来该技术的性价比显著提高，获得了更多关注，但其针对分层组织的参数反演在准确性、稳定性和反演速度等方面尚存在一定的局限性。为此，本文提出了一种时域蒙特卡罗模型支持的Nelder-Mead单纯形算法，该算法利用双源探距下的时间分辨漫反射光信号，以循环迭代方式设置不同的基向量，经线性变换后无须求导便可启发式搜索目标函数的最优值，从而实现了高信效度的分层光学参数反演。模拟实验与仿体实验均表明：在组织光学参数反演方面，所提算法的精度优于传统算法，而且该算法具有良好的噪声鲁棒性和临床适应性，为生物组织光学参数的在体测量提供了新方法。

水下激光等离子体爆轰波能够作用于微球表面产生推力进而推动微球运动。本课题组依据水下激光等离子体爆轰波的作用机理，提出了激光等离子体爆轰波定点清除血栓的方法。以血液为介质建立血管血栓模型，采用光纤激光器作为动力，进行激光等离子体爆轰波血栓推进的机理研究及数值模拟。结果显示：激光等离子体爆轰波对血栓表面有一定大小的强推力作用，能量为20 μJ的激光对直径为2 mm的下肢静脉血栓表面的峰值推力可以达到1.0 N，而且峰值推力的大小取决于激光能量以及血栓的尺寸和形状。水下光纤激光等离子体推进微球和团簇实验进一步证明了激光等离子体爆轰波定点清除血栓和打散团簇的可行性，为聚集型血栓团簇的定点清除提供了一种可行方法。

光声成像是一种结合光学和声学原理的多模态成像技术，可用于观察和获取组织内部的结构和功能信息。血液流速是评估血管功能的重要指标，血液流速的测量与疾病的发生和发展密切相关。推导了基于热测量法测量血液流速的基本理论，搭建了光声测速/成像实验系统，并开展了光声速度测量和成像实验。通过实验研究，获得了光声声压与流体速度间的定量关系，经实验验证流速测量的平均误差为8.2%，最大测速范围可达200 mm·s^-1。在此基础上，采用二维机械扫描的方式实现了分辨率为10 μm的光声形态/流速协同测量。

华法林钠是肺栓塞治疗中最常用的口服抗凝药。为制定个性化给药方案，急需建立快速、经济、准确的定量检测技术。利用太赫兹（THz）光谱的分子指纹识别特性，建立华法林钠快速定性定量分析方法。首先，通过实验获得华法林钠THz特征吸收谱，结合密度泛函理论量化计算，明确该药物在10~16 THz内的分子运动模式，从分子基团层面建立定性识别方法。接着，对不同浓度的华法林钠水溶液进行THz检测，分析THz特征峰峰高和峰下面积与药物浓度之间的相关性，建立了双指标的华法林钠定量检测方法。最低检测限达到0.01 nmol/mL，低于人的血浆中的华法林浓度，检测耗时小于10 min。所提方法为华法林钠定量检测提供了一种快速、准确的新技术，有助于推动华法林钠血药浓度监测技术的发展。

荧光碳量子点作为一种特殊的量子点，具有卓越的荧光性能以及可调控的表面化学性质，在生物成像、疾病诊断和治疗等生物医药领域中备受瞩目。基于近期的文献报道，详细介绍和总结了碳点在医药领域中的应用及其相关机制和特性。概述了碳点在生物医药应用中所面临的挑战，并提出了潜在的解决方案。最后，对未来的研究方向提出了建议，以期进一步拓展碳点在生物医药领域中的应用范围，为医学领域的创新和发展提供理论依据。

生物材料作为一种有别于传统无机消光材料的新型烟幕介质，悬浮于空气中，以烟幕的形式存在，通过对光的吸收和散射作用改变光波的传输特性。本文根据生物材料的复折射率特点，介绍了生物材料的吸收和散射特性，概括了生物材料单粒子、单分散凝聚粒子和多分散凝聚粒子的消光特性的表征方式，分析了影响生物材料消光特性的因素，总结了生物材料消光性能的测试方法。最后，本文提出了生物材料在复杂空间结构模拟精确化、消光特性影响因素分析多元性、消光特性测试标准化方面的发展趋势，以期为新型消光材料的制备和改进等提供有益参考。

光学捕获经过近几十年的发展，从光学悬浮到紧密聚焦的单光束光镊再到最近发展的多种类型的光学阱，已经可以捕获包括碳、金属氧化物、花粉、孢子、无机/有机液滴等多种不同类型的粒子，结合拉曼光谱、腔衰荡光谱或激光诱导击穿光谱可以获取悬浮微粒在原生状态下的物理和化学信息，并可以实现受控气氛环境下单粒子的化学反应研究。首先，本文根据微粒的吸光性对空气中微粒的光学捕获力的来源进行了介绍，透明微粒主要受辐射压力的作用，吸光微粒主要受光泳力的作用；然后，根据光学捕获力的不同对单光束、双光束、高斯光束和空心光束等光学捕获设计进行分类介绍；最后，综述了光学捕获与光谱技术结合起来用于单粒子研究的最新进展，并讨论了光学捕获拉曼光谱面临的挑战。

为了解决现有电脑验光仪和视力筛查仪体积庞大、价格昂贵的问题，设计并搭建了一套基于哈特曼波前检测原理的小型无透镜屈光测量系统。首先，对测量原理进行了详细介绍；接着，利用Zemax软件对图像采集光路进行模拟，并分析了实际测量屈光度与仪器-人眼距离的函数关系；最后，成功搭建了试验样机，并通过对中国计量科学研究院模拟眼进行屈光测量来验证函数关系的正确性及测量结果的准确性。实验结果表明该系统能有效地对-10~+10 D范围内的模拟眼进行屈光测量，测量结果显示：球镜度重复测量误差最高不超过0.20 D，变异系数不超过3%；柱镜度重复测量误差最高不超过0.25 D，变异系数不超过9%。此外，该系统结构简单且成本低廉。在满足测量结果准确性、稳定性要求的前提下，该系统更适用于需要仪器小型化的场合，具有广阔的应用前景。

光声信号的传统检测方法是基于超声技术，这样接触式的信号探测方式增加了交叉感染的风险，不利于临床应用。采用纯光学技术的光声成像可提升检测精度和临床舒适度，具有较强的临床应用价值。设计了采用调Q Nd∶YAG脉冲激光器作为激励源的光声信号激发系统，选用双频He-Ne激光器作为探测源采集光声信号，搭建的外差干涉系统产生携带光声信号特征的拍频信号，利用I/Q正交法解调出光声信号。首先通过超声换能器模拟振动信号验证系统性能，实验结果表明光声信号探测系统能较好地还原出超声振动信号，且与水浸探头相比，振动频率的相对测量误差只有0.04%，绝对差值为0.2 kHz。然后以碳棒和离体生物组织作为样品，利用短脉冲光激励诱导光声信号，采用本系统和超声探头进行信号探测，对比分析结果显示所搭建的外差系统在检测带宽内可以实现光声表面振动波的非接触、高精度探测。