[发明专利]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。

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：/nS1-1 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n_i和半径r_i，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σ_z；针对待测手性药物，初步估计其折射率n₄和手征参数γ；/nS1-2 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；/nS1-3 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；/nS1-4 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；/nS1-5 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；/nS1-6 根据光纤光栅参数制备长周期光纤光栅传感器；/n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：/nS1-1-1 手性药物中Debye势函数表示为：/nΨ₄＝[A₄K_v(w_4Rr)+B₄K_v(w_4Lr)]f_v(jvφ)/nΦ₄＝[A₄K_v(w_4Rr)-B₄K_v(w_4Lr)]f_v(jvφ) (1)/n其中手性药物中左右旋两种圆极化波的波数为：/n /nΦ₄和Ψ₄为手性药物的Debye势函数，r为到光纤中心的距离，K_ν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，n_eff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；/nS1-1-2 计算手性药物环境下长周期光纤光栅结构每层场分布：/n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：/n /n /n /n /n其中/n /n式中r₁、r₂和r₃分别代表光纤纤芯、包层和薄膜的半径，J_v和Y_v分别代表第一类和第二类贝塞尔函数，ε_i和n_i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，u_i为计算过程的中间变量；/nS1-1-3 求解手性药物环境下包层模式本征方程：/n利用电磁场边界条件，即电磁场切向分量e_z，h_z，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：/n /n上式中各参量均为中间过程参量，无实际物理意义；/nS1-1-4 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。/n