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原文传递基于长周期光纤光栅手征参数和折射率同时检测的方法

专利名称：	基于长周期光纤光栅手征参数和折射率同时检测的方法
摘要：	本发明公开了一种基于长周期光纤光栅手征参数和折射率同时检测的方法，属于光纤传感技术领域。该方法通过改进的光纤导波理论和耦合模理论并结合遗传算法，实现含镀膜长周期光纤光栅快速对手性药物复数手征参数和折射率的同时传感，该方法尤其适用于光纤传感和成像信息领域、信息与生物医学工程以及药物研发等应用领域。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	四川;51
申请人：	电子科技大学
发明人：	王茂琰;姜宝钧;李海龙;范博;徐彤;徐军;李桂萍;喻梦霞;董宇亮;张小川
专利状态：	有效
申请日期：	2019-08-06T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-22T00:00:00+0800
申请号：	CN201910721930.9
公开号：	CN110487755A
代理机构：	电子科技大学专利中心
代理人：	邓黎
分类号：	G01N21/59(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	611731 四川省成都市高新区(西区)西源大道2006号
主权项：	1.一种实现手征参数和折射率同时检测的长周期光纤光栅传感器的设计方法，包括以下步骤： S1-1 设计初始的长周期光纤光栅结构，确定光纤纤芯、包层、镀膜的折射率ni和半径ri，其中i＝1，2，3，分别表示光纤纤芯、包层、镀膜，光栅周期Λ、光栅长度L、光纤光栅折射率的缓变包络线σz；针对待测手性药物，初步估计其折射率n4和手征参数γ； S1-2 利用改进的光纤导波理论计算得到包层模式复数有效折射率； S1-3 利用包层模式复数有效折射率、光栅周期、光栅长度、光纤光栅折射率的缓变包络线，求解透射系数； S1-4 通过光纤光栅透射系数谐振峰对应的波长随手性药物手征参数和折射率的变化，分别计算手征参数灵敏度和折射率灵敏度； S1-5 当折射率灵敏度和手征参数灵敏度小于要求的值时，改变初始光纤光栅的结构，然后重复步骤S1-2至S1-4，直到折射率灵敏度大于等于要求的值时，停止计算，得到满足要求的长周期光纤光栅参数； S1-6 根据光纤光栅参数制备长周期光纤光栅传感器；步骤S1-2中，改进的光纤导波理论计算包层复数模式的有效折射率，包括以下步骤： S1-1-1 手性药物中Debye势函数表示为： Ψ4＝[A4Kv(w4Rr)+B4Kv(w4Lr)]fv(jvφ) Φ4＝[A4Kv(w4Rr)-B4Kv(w4Lr)]fv(jvφ) (1) 其中手性药物中左右旋两种圆极化波的波数为： Φ4和Ψ4为手性药物的Debye势函数，r为到光纤中心的距离，Kν为第二类变形的贝塞尔函数，v是模式的角向阶数，j为虚数单位，A4和B4代表手性药物环境层电磁场的待定系数，neff为光纤包层模式的有效折射率，k0为电磁波在自由空间的传播常数； S1-1-2 计算手性药物环境下长周期光纤光栅结构每层场分布：利用电场E、磁场H和Debye势Φ、Ψ之间的关系，得到手性药物液体环境下长周期光纤光栅多层结构每一层的电磁场，其中包层模式在光纤纤芯、包层、薄膜、手性药物环境中的电磁场z分量和分量，表示如下：其中式中r1、r2和r3分别代表光纤纤芯、包层和薄膜的半径，Jv和Yv分别代表第一类和第二类贝塞尔函数，εi和ni为光纤结构第i层的介电系数和折射率，A1，C1，A2，B2，C2，D2，A3，B3，C3和D3分别为光纤纤芯、包层、薄膜层电磁场的待定系数，ui为计算过程的中间变量； S1-1-3 求解手性药物环境下包层模式本征方程：利用电磁场边界条件，即电磁场切向分量ez，hz，和在半径r＝r1，r＝r2和r＝r3界面是连续的，可以得到12个方程，令其行列式为零，可以得到包层模式的本征方程，即：上式中各参量均为中间过程参量，无实际物理意义； S1-1-4 求解公式(9)，得到手性药物环境下长周期光纤光栅包层模式的复数有效折射率。 2.如权利要求1所述的一种实现手征参数和折射率同时检测的长周期光纤光栅传感器的设计方法，其特征在于：步骤S1-1-4中，公式(9)采用二分法结合实部虚部峰值搜索法求解包层模式复数有效折射率，包括以下步骤： S1-1-4-1 设置手征参数和折射率虚部为零，利用二分法求解包层模本征方程，得到n个包层模式的初始有效折射率，n＝0,1,2…； S1-1-4-2 将实数或复数的手征参数和折射率设为手性药物估计值，将第n个初始有效折射率设为第n个一次有效折射率实部，根据折射率和手征参数虚部的大小设置范围，下限为药物折射率或手征参数虚部的0.01倍，上限为药物折射率或手征参数虚部的100倍，搜索满足包层模本征方程最小的有效折射率的虚部，得到n个一次有效折射率的虚部； S1-1-4-3 将搜索得到的第n个一次有效折射率的虚部设为第n个二次有效折射率虚部，根据折射率和手征参数的大小设置范围，增长下限为药物折射率或手征参数虚部的0.01倍，增长上限为药物折射率或手征参数虚部的100倍，搜索满足包层模本征方程最小和次小的折射率实部，得到一个或两个二次有效折射率的实部，即第n个初始有效折射率分解为一个或两个二次有效折射率，这一个或两个二次有效折射率均为包层模式的复数有效折射率； S1-1-4-4 最终得到大于等于n个包层模式的复数有效折射率。 3.如权利要求1所述的一种实现手征参数和折射率同时检测的长周期光纤光栅传感器的设计方法，其特征在于：步骤S1-5中，所述折射率灵敏度要求的值为5000-15000nm/RIU；手征参数灵敏度要求的值为5000-30000nm/chirality unit。 4.如权利要求1所述的一种实现手征参数和折射率同时检测的长周期光纤光栅传感器的设计方法，其特征在于：长周期光纤光栅结构也可仅包含光纤纤芯和包层。 5.如权利要求1所述的一种实现手征参数和折射率同时检测的长周期光纤光栅传感器的设计方法，其特征在于：步骤S1-1中，初步估计的折射率n4范围为1.33-1.6，初步估计的手征参数γ范围为0.0001～0.1。 6.一种利用权利要求1或4中制备的长周期光纤光栅传感器测得复数手征参数和折射率的方法，包括以下步骤： S1：制备长周期光纤光栅传感器； S2：准备一组含S型和R型对映异构体手性药物的待测混合溶液； S3：搭建测试平台，基于镀膜长周期光纤光栅传感器对待测混合溶液进行测试，并利用光谱仪对待测混合溶液的透射光谱进行读取记录，得到测试数据； S4：利用改进的光纤导波理论和耦合模理论结合遗传算法对测试数据进行反演，得到待测溶液的复数手征参数和折射率，进一步确定手性药物对映体含量的纯度。 7.如权利要求6所述的一种利用长周期光纤光栅传感器测得复数手征参数和折射率的方法，步骤S4中，对测试数据进行反演，包括以下步骤： S4-1 根据测试数据，使用改进的光纤导波理论和耦合模理论结合遗传算法，定义适应度函数，公式为 fitness＝1/(T1-T2)2 式中，fitness为适应度函数，T1和T2为光纤光栅传感器透射系数的计算值和真实测量值； S4-2 根据适应度函数，通过对手征参数和折射率参数设置的取值范围进行搜索，反演得到手征参数和折射率。
所属类别：	发明专利