第1章光致微納米空化氣泡導言
1.1激光誘導光致擊穿空化氣泡
1.2納米顆粒介導光熱空化氣泡
1.3本章小結
參考文獻

第2章激光誘導光致擊穿空化氣泡理論基礎
2.1概述
2.2液態水電子能帶結構
2.2.1單個水分子的電子能級結構及液態水幾何拓撲結構
2.2.2瞬態溶劑化電子及液態水能帶結構
2.3激光誘導水中導帶電子能量譜
2.3.1簡化多速率方程及漸近式單速率方程
2.3.2復雜多速率方程
2.4激光誘導等離子形成及溫度演化模型
2.4.1等離子體形成模型
2.4.2溫度演變模型
2.5蒸氣核體積、平均溫度及壓力演變
2.6本章小結
參考文獻

第3章納米顆粒介導光熱空泡理論基礎
3.1概述
3.2激光等的光譜性質
3.3脈衝激光輻射納米顆粒的傳熱模型
3.3.1傳統雙溫度模型
3.3.2改進型雙溫度模型
3.4本章小結
參考文獻

第4章空化氣泡理論基礎
4.1概述
4.2空化氣泡形成及其閾值
4.3空化氣泡流體力學模型
4.4空化氣泡與有形波束相互作用模型
4.4.1經典米氏理論
4.4.2廣義洛倫茲-米氏理論
4.5本章小結
參考文獻

第5章空化氣泡檢測原理及實驗繫統平臺
5.1概述
5.2多模態泵浦-探測實驗繫統
5.3泵浦激光繫統
5.4納秒閃光燈高速攝影模塊
5.5光偏轉檢測技術
5.6空化氣泡高速攝影機直接成像技術
5.7等離子體攝影術
5.7.1等離子體攝影術及閾值標準
5.7.2納秒激光誘導等離子體形態
5.8光聲檢測技術
5.8.1熱致空化氣泡聲波的特點
5.8.2光致空化氣泡聲波的特點
5.9本章小結
參考文獻

第6章空化氣泡形成閾值及機理分析
6.1概述
6.2激光誘導光致擊穿空泡閾值
6.2.1納秒OPO激光水中光致擊穿閾值及機理分析
6.2.2飛秒OPA激光水中光致擊穿閾值及機理分析
6.3納米顆粒介導熱致空泡閾值
6.3.1微納尺度下固-液面傳熱
6.3.2熱致空泡的形成閾值
6.3.3熱致空泡成因及影響因素
6.4本章小結 
參考文獻

第7章空化氣泡隨激光能量演變的機理分析
7.1概述
7.2激光誘導等離子體形成模塊的模擬結果
7.3飛秒納秒光致擊穿時間演變動力學分析
7.4飛秒納秒光致擊穿輻照度相關動力學分析
7.5光致空泡半徑隨激光能量變化規律
7.6本章小結
參考文獻

第8章空化氣泡的聲學效應
8.1概述
8.2光致擊穿的衝擊波基本理論
8.2.1光致擊穿的擊穿衝擊波
8.2.2光致擊穿的坍塌衝擊波
8.3光致擊穿過程的能量轉移
8.4本章小結
參考文獻

第9章空化氣泡在生物醫學中的應用
9.1引言
9.2跨膜藥物的遞送
9.3細胞微手術
9.4光致空化氣泡的其他應用
參考文獻

星霜荏苒，居諸不息。距離2019年6月15日清華大學出版社魯永芳編輯發函邀請我加入“變革性光科學與技術叢書”編著計劃已經過去快四個年頭了。這套叢書是“為了更好地促進光科學技術的快速發展，梳理光學領域的技術發展脈絡，以及宣傳各重點創新項目和相關院所的研究成果”。同時，這套叢書“以有獲獎潛力的學術著作為目標，以一線科研人員的優秀成果為依托，以權威大家的高質量作品為基礎，面向全國相關領域做出一定成績、有較高學術水平的傑出學者征集選題”，總體定位是繫統性、高水平、高層次、高質量。這更加激勵我思考並下決心組織和撰寫此書。過去三年來，我不斷思索生物醫學工程學科與技術的發展脈絡和趨勢，同時也將醫工融合理念納入到新理論和技術的研究中，以期向廣大讀者呈現更高品質的著作。


本書以激光空化效應為研究對像，背景是我們與德國呂貝克大學多年的合作中涉及大量的空化氣泡的研究內容。如今我們完成了這本受到國家科學技術學術著作出版基金支持的圖書。更令我們高興的是，本書也被列入了“十四五”時期國家重點出版物出版專項規劃·重大出版工程規劃項目。經反復斟酌，書名後定為《光致微納空化氣泡產生、機理、監測與生物醫學應用》。
激光技術的發展推動光科學與技術發生了翻天覆地的變化，變革性研究成果和應用技術的出現也成為必然。激光誘導空化過程是激光在生物醫學工程領域應用技術中的重要物理機制之一，例如細胞微納手術、眼科屈光手術、腫瘤診斷與治療等生物醫學光子學領域的應用。深入研究激光誘導水中空化氣泡的物理機理對推動相關應用技術的發展具有重要的意義。得益於我們團隊在該問題上較為廣泛和深入的研究基礎，本書視角新穎獨特、研究方法清晰合理、研究內容繫統豐富，相信能夠為光致空化效應相關的科研工作者提供有效參考。本書重點論述了激光誘導光致擊穿空化氣泡（光致空泡）和納米顆粒介導的光熱空化氣泡（熱致空泡）這兩類變革性光科學與技術。全書按照光致空泡及熱致空泡的能量沉積、空化過程及光聲過程進行架構，結合當前國內外研究發展現狀，並涵蓋本團隊的研究成果，詳細論述了以經典等離子體為特征的光致空泡，以及以等共振吸收為特點的熱致空泡物理機理，繫統地介紹了激發及檢測此多時間和空間尺度空化氣泡的多模態泵浦探測繫統的原理及方法。
本書從空化效應所涉及的基本理論入手，後擴展到空化氣泡的生物醫學領域的應用，概括總結了目前空化氣泡的研究熱點、研究思路、應用技術和方法，以及未來的發展趨勢。同時也囊括了作者從事生物醫學光子學20多年來的主要研究成果，既描述了多尺度空化氣泡的形成、運動及衍生現像的基本原理，也介紹了激光光學、物理、生物、熱學及納米材料的相關技術及其應用，體現了交叉學科的研究特點，展現了一個極具生命力的新技術領域。它可以作為信息科學、物理科學和生命科學等學科的教材，也可以作為相關領域科學技術研究人員的參考書。
本書在申請國家科學技術學術著作出版基金時得到海南大學駱清銘院士、中國科學院光電技術研究所羅先剛院士、深圳大學屈軍樂教授等的書面推薦，還得到中國人民解放軍總醫院顧瑛院士、北京郵電大學忻向軍教授的大力支持，在此表示衷心感謝！要特別感謝福建師範大學謝樹森和陳榮教授，華南師範大學陳同生和邢達教授，深圳大學劉麗煒教授，中國科學院西安光學精密機械研究所姚保利研究員，北京大學魏勛斌教授和海南大學李步洪教授等，給予我們研究工作的鼎力支持和幫助。還要感謝中國科學院自動化研究所田捷研究員，中國科學院深圳先進技術研究院鄭海榮和鄭煒研究員，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院周欣研究員，華中科技大學曾紹群、李鵬程、張智紅、朱教授，海南大學劉謙和付玲教授，天津大學明東、高峰教授。感謝福建孟超肝膽醫院劉小龍研究員、曾永毅主任與我們團隊在醫工交叉領域的長期合作。特別是深圳市中科微光醫療器械技術有限公司的朱銳、李嘉男、曹一揮總經理在校企技術合作與研發方面也給予我們大力協助。後，還要感謝大連大學高澤紅教授的幫助。
近水樓臺先得月。本書的撰寫也得到了西安交通大學相關單位的通力協作和支持，包括機械工程學院蔣壯德院士、楊樹明、彭年纔教授及其團隊，西安交通大學副校長呂毅教授，西安交通大學附屬醫院吳榮謙教授及其團隊，能源與動力工程學院陳斌教授及團隊，以及生命科學與技術學院領導及老師。更要感謝團隊的姚翠萍教授、王斯佳副教授、辛靜老師及研究生的積極參與。
雖然這是一本中文著述，但其中的研究成果與我們和德國呂貝克大學生物醫學光學研究所的合作密不可分。要感謝國家自然科學基金國際合作重點項目（No.61335012）及中德合作基金（No.M-0063）的支持，還要感謝Alfred Vogel教授、Gereon Huettmann教授的合作，以及達特茅斯工學院蔣曙東教授多年的合作。
後，衷心感謝國家自然科學基金委員會長期以來對我們研究工作的資助。本書的研究工作具體得到了2020年度國家科學技術學術著作出版基金項目、國家自然科學基金項目（No.62005325，No.62005210）、貴州省科技計劃項目（黔科合基礎ZK［2021］一般324）、陝西省科技廳面上項目（No.2020JM-063）、遵義醫科大學博士科研啟動項目（F-ZH-005）等的資助，特此向支持及關心作者研究工作的所有單位及個人表示由衷的感謝。書中有部分內容參考了相關單位及個人的研究成果，並在參考文獻中標出，本書作者在此向他們致謝。但限於時間及精力，有些文獻可能未被列入書末的參考文獻中，敬請諒解。
本書以光致微納空化氣泡的產生、機理、監測與生物醫學應用為主線，主要內容包括： 第1章概述了光致空化氣泡及熱致空泡的研究現狀及進展； 第2~4章主要介紹了光致空泡及熱致空泡產生過程中所涉及的理論方法； 第5章繫統闡述了用於激發及檢測空化氣泡形成、發育過程及其衍生的物理現像的多模態泵浦探測實驗繫統平臺的設計及搭建； 第6~7章分析了空化氣泡形成閾值、影響因素及演變規律； 第8章主要闡述了空化氣泡衍生光聲效應的特點； 第9章主要介紹了上述多空間及多時間尺度的空化效應在診療一體化、光聲成像、細胞膜納米手術及生物組織微手術等生物醫學領域的應用。
本書的撰寫分工如下： 第1章、第4章、第5章、第6章由王思琪博士、梁曉軒博士負責； 第2章、第7章由梁曉軒博士負責； 第3章由王思琪博士負責； 第8章由付磊博士負責； 第9章由王晶博士負責。本書統稿由王思琪博士和梁曉軒博士協助完成。
希望本書的出版能夠對推動我國生物醫學光子學學科的發展有所幫助。雖然作者團隊做到了“用心精至自無疑”，但由於時間緊迫，加之能力所限，書中不妥之處在所難免，懇請讀者批評指正。生物醫學光子學學科和技術發展迅猛，可謂“桑田碧海須臾改”，雖然作者反復校改內容、盡力追蹤前沿，但水平有限，錯誤及遺漏之處在所難免，懇請各位同行、老師及同事們批評指正。希望能在生物醫學光子學這個“潮起海天闊”的領域，凸顯“風正一帆懸”的魅力。
“驚風飄白日，光景西馳流”。我曾主編過多本專業書籍和教材，我對所有給予支持的同事和摯友以及出版界的朋友們常常心懷感激！
本書彩圖請掃二維碼觀看。

張鎮西
2023年3月於西安交通大學生命科學與技術學院