垂直腔面发射激光器（VCSEL）凭借其低功耗、高稳定性和易于集成的特性，在医疗与生物传感领域展现出广泛的创新应用前景。以下是其核心应用场景及技术突破：
一、生物分子检测与光谱分析
- 无创血糖监测
VCSEL 可发射特定波长（如 940 nm）的近红外光，通过测量皮肤组织对光的吸收差异推断血糖浓度。例如， VCSEL 模块已用于光谱仪原型，通过分析葡萄糖分子的特征吸收峰实现非侵入式检测，避免传统指尖采血的痛苦。 - 微流控芯片集成
将 VCSEL 与微流控技术结合，可构建便携式生物分子检测平台。韩国团队开发的 PDMS 衬底 VCSEL 芯片，通过表面改性键合技术实现生物相容性集成，支持实时监测血液中的代谢物或药物浓度。美国研究团队则利用 VCSEL 阵列与微流控通道结合，实现红外染料的荧光检测，灵敏度达到痕量级别。 - 呼吸气体分析
基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术，VCSEL可检测呼出气体中的挥发性有机化合物（VOCs）。例如，1579.57 nm 波长的 VCSEL 用于 CO₂监测，结合赫里奥特气体池实现 20 米光程，精度达 ±0.06%，可辅助诊断哮喘或慢阻肺。此外，VCSEL 还可检测 NO、NH₃等标志物，用于早期癌症筛查。
二、医疗成像技术革新
- 光学相干断层扫描（OCT）
便携式 OCT 系统通过热调谐实现 850 nm 波长扫描，成本仅为传统系统的 1/10，可在家庭或基层医疗机构进行视网膜病变筛查。
长距离成像： VCSEL中心波长 1050 nm，可调谐范围 89 nm，相干长度超过 150 米，适用于眼部轴向长度测量和大型物体三维成像。
内窥镜 OCT：3mm 外径的微型导管结合 VCSEL，实现胃肠道实时三维成像，帧率达 400fps，轴向分辨率 11μm，为早期消化道癌症诊断提供高灵敏度工具。
- 光声成像（PAI）
VCSEL 光声成像系统，通过纳秒级脉冲激光激发组织产生超声波，实现血管新生和肿瘤代谢的分子级成像。该系统体积仅为传统 Nd:YAG 激光器的 1/100，成本降低 90%，已用于外周动脉疾病和神经肌肉疾病的临床评估。
三、光遗传学与神经调控
- 植入式光刺激设备
1130 nm 波长的 VCSEL 阵列可穿透深层组织，用于激活或抑制神经元活动。例如，PDMS 封装的 VCSEL 芯片可植入动物模型，通过光控调节帕金森病相关神经回路，其低阈值电流（<1 mA）和长寿命（>28k 小时）特性为临床转化奠定基础。 - 外部光疗设备
红光 VCSEL（660 nm）被用于家用美容仪，结合 850 nm、940 nm 和 1064 nm 波长实现 4D 立体抗衰。
四、可穿戴健康监测
- 智能戒指与手环
红光 VCSEL（650 nm）集成于智能戒指，通过光电容积脉搏波（PPG）技术实时监测心率、血氧和睡眠质量。定制化VCSEL方案功耗低于 0.1 mW，支持连续 24 小时无创监测。 - 隐形眼镜集成
法国团队开发的巩膜隐形眼镜嵌入 VCSEL 和衍射光学元件（DOE），通过电感耦合供电实现眼动追踪。850 nm 激光投射的十字图案可辅助脑机接口操作，未来有望用于视力障碍患者的视觉康复。
五、医疗设备创新
- 微型原子传感器
VCSEL 的单模窄线宽特性使其成为原子钟和磁力仪的理想光源。中国科学院开发的微型原子传感系统体积仅15mm³，可用于高精度磁场测量，辅助早期阿尔茨海默病的生物标志物检测。 - 便携式激光治疗
808 nm VCSEL 模块用于便携式脱毛仪，通过精准破坏毛囊黑色素实现高效脱毛，副作用发生率低于传统 IPL 技术。
Yole 预测，2027 年医疗领域 VCSEL 市场规模将达 12 亿美元，年复合增长率超 25%，主要驱动因素包括可穿戴设备和 POCT 检测需求。
VCSEL 在医疗与生物传感领域的创新应用正从实验室走向临床，其小型化、低功耗和高集成度特性推动了无创检测、精准成像和个性化治疗的发展。随着材料工艺的进步（如可见光 VCSEL 量产）和法规的完善，VCSEL 有望成为未来医疗设备的核心光源，重塑医疗诊断与治疗模式。
