VCSEL如何用于生物醫(yī)學(xué)傳感器？

垂直腔面發(fā)射激光器 （VCSEL） 用于生物醫(yī)學(xué)傳感器，因?yàn)樗鼈儼l(fā)射特定波長的高度聚焦、相干光，能夠精確檢測和分析生物分子。應(yīng)用包括血氧水平監(jiān)測、用于組織結(jié)構(gòu)成像的光學(xué)相干斷層掃描 （OCT）、熒光顯微鏡以及芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中的活生物分子分析。

與傳統(tǒng)的發(fā)光二極管 （LED） 和邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光管 （EEL） 相比，VCSEL 提供了第三種選擇。每種技術(shù)都有不同的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致不同的發(fā)射模式和其他功能，并支持不同的應(yīng)用。

LED 從芯片的側(cè)面和頂部發(fā)光。VCSEL 從頂面發(fā)光。EEL 從芯片側(cè)面發(fā)光。光束形狀是一個重要的區(qū)別因素。LED 發(fā)出相對較寬的圓形光束。EEL 發(fā)射長方形光束，VCSEL 發(fā)射聚焦圓形光束（圖 1）。

圖 1.與 LED 和 EEL 相比，VCSEL 提供更緊密的光束模式。（圖片：光麥科技）)

VCSEL 性能

除了低發(fā)散光束外，VCSEL 還為三維 （3D） 傳感和成像應(yīng)用提供了多項(xiàng)性能優(yōu)勢。VCSEL 具有小于 2 nm 的小腔體波長標(biāo)準(zhǔn)差，支持生產(chǎn)用于成像和光束控制應(yīng)用的陣列。

EEL 很難集成到陣列中，但可以產(chǎn)生更高的功率輸出。LED 最適合一般照明和低帶寬通信。

VCSEL 的另一個優(yōu)點(diǎn)是更好的散熱，尤其是與 EEL 相比，EEL 需要熱效率低下的安裝才能獲得最佳光學(xué)性能。VCSEL 能夠在高達(dá) 80°C 的溫度下工作，這也簡化了熱管理。

VCSEL 熱管理

VCSEL 通常使用磷化銦 （InP） 和砷化鎵 （GaAs） 制成。熱管理需求取決于所使用的材料和應(yīng)用。InP VCSEL 通常用于受益于主動熱管理的激光通信應(yīng)用。

GaAs VCSEL 用于從消費(fèi)設(shè)備到醫(yī)學(xué)成像的各種應(yīng)用。OCT 和熒光成像等應(yīng)用中使用的 VCSEL 可以從主動冷卻中受益。精確的溫度控制有助于保持波長穩(wěn)定性并優(yōu)化圖像質(zhì)量。

微型熱電冷卻器 （micro-TEC） 是為與 VCSEL 一起使用而開發(fā)的。使用特定于應(yīng)用的封裝，將 VCSEL 安裝在 micro-TEC 頂部，以提供更好的熱管理和溫度穩(wěn)定性（圖 2）。

圖 2.安裝在 micro-TEC 頂部的 VCSEL 示例，用于高功率應(yīng)用。（圖片：Laird Thermal Systems）)

生物醫(yī)學(xué)傳感示例

VCSEL 的光束特性使其可用于一系列生物醫(yī)學(xué)傳感應(yīng)用。OCT 成像使用來自樣品的深度分辨背向散射光來產(chǎn)生高分辨率圖像。VCSEL 的近紅外 （NIR） 光譜用于根據(jù)光吸收的變化測量血氧飽和度。

VCSEL 還用于生物分子的檢測和定量。它們可以激發(fā)附著在特定分子上的熒光染料，從而能夠檢測和定量分子。它們還支持根據(jù)折光率的變化對某些分子進(jìn)行實(shí)時無標(biāo)記檢測

OCT 中的 VCSEL

OCT 使用一束 NIR 光掃描組織，測量來自不同深度的反射光。這樣就可以創(chuàng)建詳細(xì)的橫截面圖像。VCSEL 特性（如單模發(fā)射和高調(diào)制速度）可實(shí)現(xiàn)快速、高分辨率的 OCT 成像。基于 VCSEL 的 OCT 的示例包括：

圖 3.常見醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的分辨率比較。（圖片：Edmund Optics）)

• 眼科：視網(wǎng)膜的詳細(xì)成像

• 皮膚病學(xué)：分析皮膚層

• 心臟病學(xué)：冠狀動脈成像

• 胃腸病學(xué)：檢查胃腸道內(nèi)壁

與其他成像技術(shù)相比，OCT 和自適應(yīng)光學(xué) OCT （AO-OCT） 提供卓越的軸向和橫向分辨率，例如磁共振成像 （MRI）、計算機(jī)斷層掃描 （CT） 成像，也稱為 CAT 掃描、共聚焦掃描激光檢眼鏡 （cSLO） 和自適應(yīng)光學(xué)掃描激光檢眼鏡 （AOSLO）。反射共聚焦顯微鏡 （RCM） 可以支持更高的橫向分辨率，但只能提供較淺的圖像深度，而 OCT 和 AO-OCT 可以更深入地滲透到組織中并提供更詳細(xì)的圖像（圖 3）。

總結(jié)

與 LED 和 EEL 相比，VCSEL 具有更窄的光束模式。它們還提供高水平的相干性、適中的功率，并且可以在高達(dá) 80 °C 的溫度下工作。 這使得它們適用于 OCT 、血氧水平監(jiān)測、熒光顯微鏡和類似應(yīng)用中的生物醫(yī)學(xué)傳感器。