前言

　　星霜荏苒，居诸不息。距离2019年6月15日清华大学出版社鲁永芳编辑发函邀请我加入“变革性光科学与技术丛书”编著计划已经过去快四个年头了。这套丛书是“为了更好地促进光科学技术的快速发展，梳理光学领域的技术发展脉络，以及宣传各重点创新项目和相关院所的最新研究成果”。同时，这套丛书“以有获奖潜力的学术著作为目标，以一线科研人员的优秀成果为依托，以权威大家的高质量作品为基础，面向全国相关领域做出一定成绩、有较高学术水平的杰出学者征集选题”，总体定位是系统性、高水平、高层次、高质量。这更加激励我思考并下决心组织和撰写此书。过去三年来，我不断思索生物医学工程学科与技术的发展脉络和趋势，同时也将医工融合理念纳入到新理论和技术的研究中，以期向广大读者呈现更高品质的著作。

　　本书以激光空化效应为研究对象，背景是我们与德国吕贝克大学多年的合作中涉及大量的空化气泡的研究内容。如今我们完成了这本受到国家科学技术学术著作出版基金支持的图书。更令我们高兴的是，本书也被列入了“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划·重大出版工程规划项目。经反复斟酌，书名最后定为《光致微纳空化气泡产生、机理、监测与生物医学应用》。

　　激光技术的发展推动光科学与技术发生了翻天覆地的变化，变革性研究成果和应用技术的出现也成为必然。激光诱导空化过程是激光在生物医学工程领域应用技术中的重要物理机制之一，例如细胞微纳手术、眼科屈光手术、肿瘤诊断与治疗等生物医学光子学领域的应用。深入研究激光诱导水中空化气泡的物理机理对推动相关应用技术的发展具有重要的意义。得益于我们团队在该问题上较为广泛和深入的研究基础，本书视角新颖独特、研究方法清晰合理、研究内容系统丰富，相信能够为光致空化效应相关的科研工作者提供有效参考。本书重点论述了激光诱导光致击穿空化气泡（光致空泡）和纳米颗粒介导的光热空化气泡（热致空泡）这两类变革性光科学与技术。全书按照光致空泡及热致空泡的能量沉积、空化过程及光声过程进行架构，结合当前国内外研究发展现状，并涵盖本团队最新的研究成果，详细论述了以经典等离子体为特征的光致空泡，以及以等离子激元共振吸收为特点的热致空泡物理机理，系统地介绍了激发及检测此多时间和空间尺度空化气泡的多模态泵浦探测系统的原理及方法。

　　本书从空化效应所涉及的基本理论入手，最后扩展到空化气泡的生物医学领域的应用，概括总结了目前空化气泡的研究热点、研究思路、应用技术和方法，以及未来的发展趋势。同时也囊括了作者从事生物医学光子学20多年来的主要研究成果，既描述了多尺度空化气泡的形成、运动及衍生现象的基本原理，也介绍了激光光学、物理、生物、热学及纳米材料的相关技术及其应用，体现了交叉学科的研究特点，展现了一个极具生命力的新技术领域。它可以作为信息科学、物理科学和生命科学等学科的教材，也可以作为相关领域科学技术研究人员的参考书。

　　本书在申请国家科学技术学术著作出版基金时得到海南大学骆清铭院士、中国科学院光电技术研究所罗先刚院士、深圳大学屈军乐教授等的书面推荐，还得到中国人民解放军总医院顾瑛院士、北京邮电大学忻向军教授的大力支持，在此表示衷心感谢！要特别感谢福建师范大学谢树森和陈荣教授，华南师范大学陈同生和邢达教授，深圳大学刘丽炜教授，中国科学院西安光学精密机械研究所姚保利研究员，北京大学魏勋斌教授和海南大学李步洪教授等，给予我们研究工作的鼎力支持和帮助。还要感谢中国科学院自动化研究所田捷研究员，中国科学院深圳先进技术研究院郑海荣和郑炜研究员，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院周欣研究员，华中科技大学曾绍群、李鹏程、张智红、朱教授，海南大学刘谦和付玲教授，天津大学明东、高峰教授。感谢福建孟超肝胆医院刘小龙研究员、曾永毅主任与我们团队在医工交叉领域的长期合作。特别是深圳市中科微光医疗器械技术有限公司的朱锐、李嘉男、曹一挥总经理在校企技术合作与研发方面也给予我们大力协助。最后，还要感谢大连大学高泽红教授的帮助。

　　近水楼台先得月。本书的撰写也得到了西安交通大学相关单位的通力协作和支持，包括机械工程学院蒋壮德院士、杨树明、彭年才教授及其团队，西安交通大学副校长吕毅教授，西安交通大学第一附属医院吴荣谦教授及其团队，能源与动力工程学院陈斌教授及团队，以及生命科学与技术学院领导及老师。更要感谢团队的姚翠萍教授、王斯佳副教授、辛静老师及研究生的积极参与。

　　虽然这是一本中文著述，但其中的研究成果与我们和德国吕贝克大学生物医学光学研究所的合作密不可分。要感谢国家自然科学基金国际合作重点项目（No.61335012）及中德合作基金（No.M-0063）的支持，还要感谢Alfred Vogel教授、Gereon Huettmann教授的合作，以及达特茅斯工学院蒋曙东教授多年的合作。

　　最后，衷心感谢国家自然科学基金委员会长期以来对我们研究工作的资助。本书的研究工作具体得到了2020年度国家科学技术学术著作出版基金项目、国家自然科学基金项目（No.62005325，No.62005210）、贵州省科技计划项目（黔科合基础ZK［2021］一般324）、陕西省科技厅面上项目（No.2020JM-063）、遵义医科大学博士科研启动项目（F-ZH-005）等的资助，特此向支持及关心作者研究工作的所有单位及个人表示由衷的感谢。书中有部分内容参考了相关单位及个人的研究成果，并在参考文献中标出，本书作者在此向他们致谢。但限于时间及精力，有些文献可能未被列入书末的参考文献中，敬请谅解。

　　本书以光致微纳空化气泡的产生、机理、监测与生物医学应用为主线，主要内容包括： 第1章概述了光致空化气泡及热致空泡的研究现状及进展； 第2~4章主要介绍了光致空泡及热致空泡产生过程中所涉及的理论方法； 第5章系统阐述了用于激发及检测空化气泡形成、发育过程及其衍生的物理现象的多模态泵浦探测实验系统平台的设计及搭建； 第6~7章分析了空化气泡形成阈值、影响因素及演变规律； 第8章主要阐述了空化气泡衍生光声效应的特点； 第9章主要介绍了上述多空间及多时间尺度的空化效应在诊疗一体化、光声成像、细胞膜纳米手术及生物组织微手术等生物医学领域的应用。

　　本书的撰写分工如下： 第1章、第4章、第5章、第6章由王思琪博士、梁晓轩博士负责； 第2章、第7章由梁晓轩博士负责； 第3章由王思琪博士负责； 第8章由付磊博士负责； 第9章由王晶博士负责。本书统稿由王思琪博士和梁晓轩博士协助完成。

　　希望本书的出版能够对推动我国生物医学光子学学科的发展有所帮助。虽然作者团队做到了“用心精至自无疑”，但由于时间紧迫，加之能力所限，书中不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。生物医学光子学学科和技术发展迅猛，可谓“桑田碧海须臾改”，虽然作者反复校改内容、尽力追踪前沿，但水平有限，错误及遗漏之处在所难免，恳请各位同行、老师及同事们批评指正。希望能在生物医学光子学这个“潮起海天阔”的领域，凸显“风正一帆悬”的魅力。

　　“惊风飘白日，光景西驰流”。我曾主编过多本专业书籍和教材，我对所有给予支持的同事和挚友以及出版界的朋友们常常心怀感激！

　　本书彩图请扫二维码观看。

张镇西

2023年3月于西安交通大学生命科学与技术学院