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专利名称：一种用于病理切片检测的光子晶体

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202110705260.9

专利申请（专利权）人：湖北开云优惠体育网页版入口学院
权利人地址：湖北省咸宁市咸安区咸宁大道88号

专利发明（设计）人：李永逵

专利摘要：本发明提供了一种用于病理切片检测的光子晶体，属于光学技术领域。包括缺陷层和两个分别位于缺陷层两侧的周期性晶体，周期性晶体包括若干电介质层一和若干与电介质层一一一对应的电介质层二，电介质层一和电介质层二交替分布，周期性晶体远离缺陷层的一侧设置有一棱形耦合波导，棱形耦合波导的横截面呈等腰直角三角形；缺陷层为用于病理检测的组织切片。本发明具有能够提高缺陷层对于的组织切片的反射率等优点。

主权利要求：
1.一种用于病理切片检测的光子晶体，其特征在于，包括缺陷层(C)和两个分别位于缺陷层(C)两侧的周期性晶体，所述周期性晶体包括若干电介质层一(A)和若干与电介质层一(A)一一对应的电介质层二(B)，所述电介质层一(A)和电介质层二(B)交替分布，周期性晶体远离缺陷层的一侧设置有一棱形耦合波导(D)，所述棱形耦合波导(D)的横截面呈等腰直N N角三角形；所述缺陷层(C)为用于病理检测的组织切片，所述光子晶体可表示为(AB)C(BA) ，N为光子晶体的空间周期数；
所述周期性晶体中的电介质层二(B)贴近缺陷层(C)，所述电介质层二(B)为硫化锌；
所述电介质层一(A)为二氧化硅；
电介质层一(A)和电介质层二(B)的厚度为1/4光学波长；
所述光子晶体的空间周期数N＝1；
所述光子晶体增强缺陷模的反射率；
所述光子晶体实现缺陷模附近反射光束巨大的古斯?汉森位移；
病理切片发生病变时，光子晶体反射率会提高；所述病理切片为健康肝脏切片时，峰值古斯?汉森位移对应的入射波长为1.3014μm；所述病理切片为健康肝脏切片且发生病变时，峰值古斯?汉森位移对应的入射波长为1.3216μm。
2.根据权利要求1所述一种用于病理切片检测的光子晶体，其特征在于，所述棱形耦合波导(D)为硅。 说明书 : 一种用于病理切片检测的光子晶体技术领域[0001] 本发明属于光学技术领域，涉及一种用于病理切片检测的光子晶体。背景技术[0002] 将不同折射率的材料在空间中交替排列，形成周期性分布，这就是光子晶体。在光子晶体中，存在类似于半导体电子能带的光子能带结构。位于带隙内波长的光波不能通过光子晶体，会被全反射回来。[0003] 如果在光子晶体中嵌入一异质层，便构成了带缺陷的光子晶体。在缺陷光子晶体的带隙中，存在缺陷模。当入射光波长恰好等于缺陷模时，便会形成共振输出，光波无反射地全部通过光子晶体。[0004] 研究表明，在具有弱损耗的光子晶体的带隙边缘和缺陷光子晶体的缺陷模附近，存在巨大的古斯?汉森位移。古斯?汉森位移最开始是由古斯和汉森两人在实验室测得，故因此而得名。当光照射到不同材料的分界面上时，相对于几何光学预测的路径，反射光线存在一个横向的位移，即古斯?汉森位移。当不同波长的光波，在介质分界面上被反射时，其反射系数相位不同，各成分的光波叠加后便形成了反射光束的古斯?汉森位移。古斯?汉森位移可以为正，也可以为负。一般地，古斯?汉森位移的量级也就几个到几十个波长，而光束又存在一定的线宽，因此，很难探测反射光束的这种横向位移。另外，要得到较大的古斯?汉森位移，通常反射光线又比较弱，因此，在实验上对古斯?汉森位移的探测难度进一步加大。目前对古斯?汉森位移的实验研究，都是基于弱光的观测。[0005] 可以这样理解，当光波入射到两种介质的分界面上时，会有部分光渗透到下层介质，然后迅速地衰减，这就是倏逝波。相当于在分界面的下侧，形成了一个虚反射面。反射光就会相对于几何光线预测的位置发生正的横向位移。如果虚反射面位于分界面的上侧，则横向位移为负。[0006] 材料的光学损耗越弱，光波在分界面的下层电介质中的穿透深度越大，则反射时所形成的位移也越大。在缺陷光子晶体中，缺陷模的反射率最。曳瓷湎凳南辔辉谌毕菽４Υ嬖诓蝗范ㄐ，即相位存在突变现象。因此，在光子晶体中嵌入带损耗的缺陷层，既可以增大缺陷模的反射率，又可以引起反射系数相位在缺陷模附近急剧地改变。古斯?汉森位移正比于反射系数相位的变化率，这样就可以在缺陷模附近得到反射率和古斯?汉森位移都较大的反射光束。[0007] 当人体的不同组织和器官发生病变时，比如炎症和癌变等，传统上对病变组织和器官切片的检测手段多采用显微镜观测、化验，以及X光照射等。这些检测方法存在检测周期长、误判率大和成本高昂等缺点。[0008] 由于不同的人体组织和器官切片对应着不同的折射率，且存在较大的光学损耗系数；另外，当组织和器官切片发生病变时，其折射率和损耗系数也会随之改变。因此，考虑将人体组织和器官切片作为缺陷层插入到光子晶体中，不仅可以提高缺陷模的反射率，还可以实现较大的古斯?汉森位移。重要的是，这些人体组织和器官切片发生病变，会引起反射光束不同大小的古斯?汉森位移，以此可以对人体组织和器官切片进行病理检测和分析。发明内容[0009] 本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种用于病理切片检测的光子晶体，本发明所要解决的技术问题是如何利用组织切片提高缺陷光子晶体中缺陷模的反射率和增大反射光束的横向位移，以提高病理检测精度。[0010] 本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种用于病理切片检测的光子晶体，其特征在于，包括缺陷层和两个分别位于缺陷层两侧的周期性晶体，所述周期性晶体包括若干电介质层一和若干与电介质层一一一对应的电介质层二，所述电介质层一和电介质层二交替分布，所述周期性晶体远离缺陷层的一侧设置有一棱形耦合波导，所述棱形耦合波导的横截面呈等腰直角三角形；所述缺陷层为用于病理检测的组织切片；所述光子晶体可N N表示为(AB) C(BA) ，N为光子晶体的空间周期数。[0011] 进一步的，所述周期性晶体中的电介质层二贴近缺陷层，所述电介质层二为硫化锌。[0012] 进一步的，所述电介质层一为二氧化硅。[0013] 进一步的，所述周期性晶体中的电介质层一和电介质层二的厚度为1/4光学波长。[0014] 进一步的，所述周期性晶体中的空间周期数N＝1。[0015] 进一步的，所述周期性晶体增强缺陷模的反射率。[0016] 进一步的，所述周期性晶体实现缺陷模附近反射光束巨大的古斯?汉森位移。[0017] 进一步的，所述棱形耦合波导为硅。[0018] 将肝脏或结肠等人体组织或器官切片，即缺陷层，嵌入到光子晶体中，形成带缺陷的光子晶体。此光子晶体关于缺陷层呈中心对称分布。缺陷层中较大的光学损耗可以极大地提高了缺陷模的反射率；通过增大光子晶体的空间周期数，缺陷模的反射率还可被进一步提高。特别地，在此光子晶体的带隙边缘和缺陷模附近，反射光束存在巨大的古斯?汉森位移。古斯?汉森位移的大小、正负极性和峰值位置对入射光的波长极其敏感。将肝脏或结肠的病理切片置于光子晶体中时，较之正常的组织切片，其折射率改变，所引发的古斯?汉森位移随之改变。可以通过扫描入射波长，获取对应的反射光束的峰值古斯?汉森位移，以此来精确测量病理切片的折射率，进而实现对病理切片的定量分析。附图说明[0019] 图1是用于病理切片检测的光子晶体的结构示意图。[0020] 图2中的(a)是N＝1时的光子晶体的透射谱；图2中的(b)是N＝1时的光子晶体的反射谱；图2中的(c)是N＝1时反射系数相位随归一化频率的变化关系；图2中的(d)是N＝1时古斯?汉森位移随归一化频率的变化关系。[0021] 图3中的(a)是N＝5时的光子晶体的透射谱；图3中的(b)是N＝5时的光子晶体的反射谱；图3中的(c)是N＝5时反射系数相位随归一化频率的变化关系；图3中的(d)是N＝5时古斯?汉森位移随归一化频率的变化关系。[0022] 图4中的(a)是肝脏病理切片对应的透射率；图4中的(b)是肝脏病理切片对应的反射率；图4中的(c)是肝脏病理切片对应的反射系数相位；图4中的(d)是肝脏病理切片对应的古斯?汉森位移。[0023] 图中，A、电介质层一；B、电介质层二；C、缺陷层；D、棱形耦合波导。具体实施方式[0024] 以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。[0025] 将电介质层一A和电介质层二B两种电介质交替排列，形成周期性结构的光子晶体。将待检测的组织切片置于中心位置形成缺陷层。该结构关于缺陷层C呈中心对称分布，N N且可以写成(AB) C(BA) ，其中N为空间周期数。将光子晶体进行截断，形成有限长的多层结构，如图1所示。此结构中的空间周期数N＝1；两个棱形耦合波导D分别位于电介质多层结构的两端，棱形耦合波导的横截面为等腰直角三角形；符号Ii表示入射光线，It表示透射光线，Ir表示几何光学预测的反射光线，I′r表示具有正的古斯?汉森位移的反射光线，I″r表示具有负的古斯?汉森位移的反射光线；入射角θ＝45°。电介质一A为二氧化硅，折射率为na＝1.46，厚度为1/4光学波长，即da＝λ0/4na＝0.2654μm(μm表示微米)，其中λ0＝1.55μm为中心波长；电介质层二B为硫化锌，折射率为nb＝2.35，厚度为db＝λ0/4nb＝0.1649μm；棱形耦合波导D为硅，折射率为nd＝3.53；缺陷层C为人体组织或器官切片，厚度为dc＝1μm。这里我们将以肝脏(Liver)和结肠(Colon)为例作为测试样品。入射波长在λ＝1.55μm附近，肝脏的折射率约为nc1＝1.3624+0.0026964i，结肠的折射率约为nc2＝1.3257+0.0037148i，其中i为虚数单位。[0026] 当入射光为横磁(TM)波时，改变输入光频率，图2(a)给出的是光波的透射谱。横坐标(ω?ω0)/ωgap表示归一化频率，其中ω＝2πc/λ、ω0＝2πc/λ0和ωgap＝4ω0arcsin│(na?2nb)/(na+nb)| /π分别表示入射光频率、入射光中心频率和禁带频宽，c为真空中光速，arcsin为求反正弦函数；纵坐标T表示透射率。实线表示缺陷层C为肝脏(Liver)切片时对应的透射谱，虚线表示缺陷层C为结肠(Colon)切片时对应的透射谱。在归一化频率为[?1.5,2.5]区间内，每根透射谱线上存在3个透射峰，其中，中间透射峰值为缺陷模对应的透射率，两边的透射峰值为带隙边缘的透射率。当缺陷层为肝脏切片时，对应的三个透射峰峰值分别约为T＝[0.9617,0.9262,0.9475]，峰值所在位置分别为(ω?ω0)/ωgap＝[?0.5781,0.7889,1.9847]；当缺陷层为结肠切片时，对应的三个透射峰峰值分别约为T＝[0.9437,0.8985,0.9305]，峰值所在位置分别为(ω?ω0)/ωgap＝[?0.5224,0.8883,2.0773]。可以看到，相对于肝脏，结肠切片对应的透射谱在整体上存在一个向右的频移。因为结肠切片的折射率实部比肝脏的。沟萌毕菽５墓舱癫ǔだ兑。结肠切片的峰值透射率略低于肝脏切片的峰值透射率，因为结肠的光学损耗系数肝脏的要大。[0027] 当光波分别入射到中包含两种切片的多层结构上时，图2(b)给出的是光波的反射谱，纵坐标字母R表示反射率。可以看到，在每根反射谱线上都存在三个凹谷，且各凹谷所在的位置与各透射谱峰值所在位置是分别一致的。当缺陷层为肝脏切片时，对应的三个反射谷值分别为R＝[0.0003,0.0012,0.0003]；当缺陷层为结肠切片时，对应的三个反射谷值分别为R＝[0.0006,0.0022,0.0005]。同样地，相对于肝脏切片，包含结肠切片多层结构的反射谱的凹谷在整体上存在一个向右的移动。[0028] 将反射系数写成模加幅角的形式： 其中 为反射系数的幅角，即为反射系数相位。图2(c)给出的是反射系数相位随归一化频率的变化关系。改变入射光频率，反射系数相位在带隙边缘和缺陷模附近急剧改变。反射光束的横向位移正比于反射系数幅角的变化率： 其中k＝λ/2π，因此，在这三个反射凹谷附近，可以得到反射光束巨大的古斯?汉森位移。古斯?汉森位移随归一化频率的变化关系如图2(d)所示。在每根曲线中出现了三个位移峰，位移峰的位置位于三个反射率凹谷附近。对于肝脏切片，对应的三个峰值古斯?汉森位移从左到右依次为Δ＝108.541λ，88.7478λ和120.2891λ；对于结肠切片，对应的三个峰值古斯?汉森位移从左到右依次为Δ＝73.2632λ，61.2488λ和90.3812λ。不同的人体组织切片，引起的古斯?汉森位移不同，且峰值古斯?汉森位移的位置也不同；对同一组织切片，在反射凹谷附近，反射光束的古斯?汉森位移对入射光波长极其敏感。因此，改变入射光波长，通过测得的古斯?汉森位移，来判定人体组织种类，以及各种组织切片的病变。[0029] 虽然在带隙边缘和缺陷模附近可以得到较大的古斯?汉森位移，但是，反射光束的强度都比较弱，这增大了在实验上探测的难度。为了提高带隙边缘和缺陷模附近的反射率，可以通过增大光子晶体的空间周期数N来实现。图3(a)给出的是N＝5时所对应的透射率，可以看到，透射谱中存在很多的透射峰，其中，中间的透射峰峰值大小为缺陷模对应的透射率，用五角星号标注。相较于N＝1，中间缺陷模的透射率降低得比较明显。肝脏切片对应的缺陷模为(ω?ω0)/ωgap＝0.6364，透射率为T＝0.4782；结肠切片对应的缺陷模为(ω?ω0)/ωgap＝0.6945，透射率为T＝0.4563。对这两种切片，中间缺陷模的反射率较N＝1时有较大的提高，如图3(b)所示。肝脏切片对应的缺陷模的反射率为R＝0.095，结肠切片对应的缺陷模的反射率为R＝0.1051。带隙边缘的反射率仍然接近0，在这种情况下，即使在带隙边缘附近存在较大的古斯?函数位移，但由于光强较弱，在实验上很难被观测，其实用意义不大。因此，我们重点关注中间缺陷模附近的古斯?汉森位移。[0030] 图3(c)给出的是缺陷模附近的反射系数相位，在透射率的凹谷处，反射系数相位的变化率最大，而且曲线的斜率可正可负。因此，改变入射光波长，可以实现较大的正古斯?汉森位移和负古斯?汉森位移，如图3(d)所示。可以看到，在每根古斯?汉森位移曲线上，都存在一个峰值和两个谷值。峰值古斯?汉森位移为正，而谷值古斯?汉森位移为负。对于肝脏切片，可以获得最大的正古斯?汉森位移为Δ＝100.3λ，两个最大的负古斯?汉森位移分别为Δ＝?0.7217λ和?11.571λ。对于结肠切片，可以实现最大的正古斯?汉森位移为Δ＝74.2λ，两个最大的负古斯?汉森位移分别为Δ＝?9.4455λ和?7.7931λ。[0031] 保持N＝5不变，将健康的和发生病变的肝脏病理切片分别嵌入到光子晶体中间，得到光波的透射率如图4(a)所示。实线表示健康的肝脏(HealthyLiver)切片对应的透射谱，虚线表示发生病变的肝脏(DiseasedLiver)切片对应的透射谱。当肝脏发生癌变，即硬化时，相对于正常值，肝脏病理切片的折射率会增大。这里将发生病变的肝脏折射率设置为nc1＝1.5+0.0026964i。可以看到，发生病变的缺陷模会向低频方向移动。发生病变肝脏的折射率比正常肝脏的折射率大，这就使得缺陷光子晶体中共振模的波长增大。[0032] 图4(b)给出的是肝脏病理切片对应的反射率。正：筒”涓卧嗲衅杂Φ闹屑淙毕菽５姆瓷渎史直鹞猂＝0.095和R＝0.1233。因此，发生病变后，反射率会提高，这也便于观测反射光束的横向位移。图4(c)给出的是反射系数相位对归一化频率的变化关系。同样地，在缺陷模附近，反射系数相位变化也非常剧烈，且曲线的斜率可正可负，这必然导致较大的或负或正的古斯?汉森位移。相对于健康的肝脏切片，病变肝脏切片对应的共振模波长位置改变，因此反射系数相位剧烈变化的位置也随之改变。图4(c)给出了古斯?汉森位移随归一化频率的变化关系。改变入射光波长，健康和病变肝脏切片分别对应着不同的古斯?汉森位移曲线。对于健康的肝脏切片，峰值古斯?汉森位移对应的归一化频率为(ω?ω0)/ωgap＝0.6362，即入射波长为λ＝1.3014μm；而对于病变肝脏切片，如当nc1＝1.5+0.0026964i时，峰值古斯?汉森位移对应的入射波长为λ＝1.3216μm。通过扫描入射波长，测出反射光束的横向位移，特别是峰值古斯?汉森位移对应的入射波长与折射率的关系，便可得到肝脏病理切片的折射率，进而诊断出肝脏的病理特性。[0033] 总之，在包含肝脏和结肠病理切片的对称光子晶体中，存在带隙结构和较大反射率的中心缺陷模。通过增大光子晶体的空间周期数，可以进一步提高中心缺陷模的反射率。在带隙边缘和缺陷模附近，反射系数相位随波长的变化而急剧改变，从而实现反射光束极大的古斯?汉森位移。不同病理切片对应的古斯?汉森位移的大小、正负极性和峰值位置对入射波长极其敏感。因此，该装置可以通过反射光束的古斯?汉森位移来精确地测量肝脏和结肠的折射率，进而对肝脏和结肠的病理进行定量的分析和诊断。[0034] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

专利地区：湖北

专利申请日期：2021-06-24

专利公开日期：2024-11-19

专利公告号：CN113295649B