目前,光学分辨率光声显微成像(OR-PAM)技术已经取得了微米甚至亚微米级别的横向分辨率。与之相矛盾的是,广泛用于光声探测的压电基超声换能器的探测带宽有限,导致光声成像纵向分辨率远低于其横向分辨率,使三维成像严重失真。此外,压电超声换能器的探测灵敏度较低,破坏了光声成像的图像质量。因此,研发新型的光声检测方法实现光声信号的高灵敏、宽带检测,对提升光声成像至关重要。在光声成像中,受激产生的光声信号不仅幅值很低,而且脉宽很短,为此本论文提出了一种基于石墨烯表面波的新型光声检测方法,以精准响应这一微弱光声脉冲波。石墨烯表面波对溶液折射率的微小变化具有超高敏感性,能够提高光声检测的灵敏度;表面波的超快时间响应和强局域特性,可以增大光声的检测带宽。基于这一原理,我们构建了棱镜/石墨烯/水溶液组成的全内衰减反射(ATR)结构,用于瞬态光声波的检测。首先,本论文利用时域有限差分数值模拟方法研究了石墨烯表面波与外界声压的相互作用。理论结果表明:石墨烯表面波电场对声压引发的溶液折射率变化极为敏感,其与入射光偏振态、入射角、石墨烯层厚等参数密切相关。以此为指导,我们设计了ATR光声检测装置,其入射角接近全反射角(66.251°),偏振比p:s~1/4,石墨烯厚度~3.4nm。同时,我们采用偏振光学差分检测方式,排除光源不稳定和环境振动引起的干扰,以提高光声检测的灵敏度。本文以超声换能器作为激励源,确定了噪音等效声压为550Pa,在声压值为11.0 kPa~53.0 kPa之间具有良好的线性振幅响应,这一实验结果和理论模拟相吻合。进一步,我们开展了基于石墨烯表面波的光声检测研究。采用λ=633nm氦氖光源,转移到透明胶带上的镍基石墨烯样品,实现了~150MHz带宽,远远超过传统的压电型超声换能器。这一超宽谱的光声检测能力主要源自于石墨烯表面波穿透深度很浅的倏逝场。通过频谱分析结合“平移叠加”方式,我们推断石墨烯基光声探测器的纵向分辨率可以达到~8.3μm,已经接近于大多数传统的OR-PAM的横向分辨率。以石墨烯基光声探测器(GPAD)为核心部件,我们搭建了一套光声显微成像系统。以直径为1.0μm的碳丝为成像目标,经标定系统的横向分辨率~3.06μm,与该物镜0.1NA的理论分辨率相匹配。用人体毛发作为样品来测试系统的光声成像的能力,获得了高对比度3D图像。而且,我们开展了活体小鼠的光声成像实验,获得了血管网络的三维、微尺度、无标记图像,包括主血管和丰富的毛细血管。