(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル内の物質の濃度を測定する装置であって、
少なくとも１つの軌道角運動量が与えられた第１信号を生成し、前記第１信号をサンプ
ルに当てる、信号生成回路部と、
前記第１信号が前記サンプルを通過した後に前記第１信号を受信し、前記サンプルから
受信した前記第１信号について軌道角運動量の検出された値に基づき前記サンプル内の前
記物質の前記濃度を決定する、検出器と
を備える、装置。
【請求項２】
前記信号生成回路部は、
複数の平面波を備える前記第１信号を放射する放射源と、
前記第１信号を受信し、前記第１信号の各前記平面波に前記少なくとも１つの軌道角運
動量を与える軌道角運動量生成回路部と
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記軌道角運動量生成回路部は、前記第１信号に対して固定軌道角運動量を与える固定
軌道角運動量生成回路部を備える、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記軌道角運動量生成回路部は、前記第１信号の前記平面波に前記少なくとも１つの軌
道角運動量を与えるためのホログラムをさらに含む、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記ホログラムは、合成渦格子を構成する重ね合わされたホログラムの対を備える、請
求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記軌道角運動量生成回路部は、調整可能軌道角運動量生成回路部を備え、
前記軌道角運動量生成回路部は、前記軌道角運動量生成回路部に提供される少なくとも
１つの調整パラメータに応じて、選択された軌道角運動量を前記第１信号に与える、
請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記軌道角運動量生成回路部は、
前記第１信号を、エルミート・ガウスモードからラゲール・ガウスモードへと変換する
、少なくとも１つのπ／２モード変換器と、
前記ラゲール・ガウスモードの前記第１信号を逆ラゲール・ガウスモードへと変換する
変換器と
を備える、請求項２に記載の装置。
【請求項８】
前記第１信号が前記サンプルを通過した後に前記第１信号を受信し、関連付けられた前
記軌道角運動量の前記検出された値を有する前記第１信号の第１部分を増幅する、増幅回路部をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記増幅回路部は、前記サンプル内の前記物質の前記濃度に関連付けられた前記軌道角
運動量を増幅するためのホログラムをさらに含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記検出器は、
前記サンプルからの前記第１信号内の前記軌道角運動量の前記検出された値を決定する
、軌道角運動量検出器と、
前記軌道角運動量の前記検出された値に応じて、前記サンプル内の前記物質の濃度を決
定する、プロセッサと
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記軌道角運動量の前記検出された値に応じて前記サンプル内の前記物質の前記濃度を
決定するよう前記プロセッサを設定するためのコンピュータ命令の組と、
前記プロセッサによって決定された各前記濃度からの濃度データを記憶するためのデータベースと
を備える前記プロセッサに関連付けられたユーザインタフェースをさらに含む、請求項１
０に記載の装置。
【請求項１２】
前記ユーザインタフェースは、前記濃度データを遠隔地に伝達するための無線インタフェースをさらに含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記濃度の前記検出された値の異なる値が、前記サンプル内の前記物質の異なる濃度を示す、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１信号は光ビームを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
サンプル内の物質の濃度を測定する装置であって、
複数の平面波を備える第１光ビームを放射する放射源と、
前記第１光ビームを受信し、前記第１光ビームの各前記平面波に少なくとも１つの軌道角運動量を与える軌道角運動量生成回路部と、
前記第１光ビームが前記サンプルを通過した後に前記第１光ビームを受信し、所定値の前記軌道角運動量が関連付けられた前記第１光ビームの第１部分を増幅する、増幅回路部と、
前記第１光ビームが前記サンプルを通過した後に前記第１光ビームを受信し、前記所定値の前記軌道角運動量が関連付けられた前記第１光ビームの前記増幅された部分内の軌道角運動量の検出された値に基づき前記サンプル内の前記物質の前記濃度を決定する、検出器と
を備える、装置。
【請求項１６】
前記軌道角運動量生成回路部は、前記第１光ビームに固定軌道角運動量を与える固定軌道角運動量生成回路部を備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記軌道角運動量生成回路部は、前記第１光ビームの各前記平面波に前記少なくとも１つの軌道角運動量を与えるためのホログラムをさらに含む、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
前記ホログラムは、合成渦格子を構成する重ね合わされたホログラムの対を備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記軌道角運動量生成回路部は、調整可能軌道角運動量生成回路部を備え、
前記軌道角運動量生成回路部は、前記軌道角運動量生成回路部に提供される少なくとも１つの調整パラメータに応じて、選択された軌道角運動量を前記第１光ビームに与える、
請求項１５に記載の装置。
【請求項２０】
前記軌道角運動量生成回路部は、
前記第１光ビームを、エルミート・ガウスモードからラゲール・ガウスモードへと変換する、少なくとも１つのπ／２モード変換器と、
前記ラゲール・ガウスモードの前記第１光ビームを逆ラゲール・ガウスモードへと変換する変換器と
を備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項２１】
前記軌道角運動量の前記検出された値に応じて、前記サンプル内の前記物質の濃度を決定するためのプロセッサをさらに備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項２２】
前記軌道角運動量の前記検出された値に応じて前記サンプル内の前記物質の前記濃度を決定するよう前記プロセッサを設定するためのコンピュータ命令の組と、
前記プロセッサによって決定された各前記濃度からの濃度データを記憶するためのデータベースと
を備える前記プロセッサに関連付けられたユーザインタフェースをさらに含む、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記ユーザインタフェースは、前記濃度データを遠隔地に伝達するための無線インタフェースをさらに含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記濃度の前記検出された値の異なる値が、前記サンプル内の前記物質の異なる濃度を示す、請求項１５に記載の装置。
【請求項２５】
サンプル内の物質の濃度を測定する方法であって、
少なくとも１つの軌道角運動量が与えられた第１信号を生成することと、
前記サンプルに前記第１信号を当てることと、
前記第１信号が前記サンプルを通過した後に前記第１信号を受信することと、
受信した前記第１信号内の前記軌道角運動量の値を検出することと、
前記サンプルから受信した前記第１信号について軌道角運動量の検出された値に基づい
て、前記サンプル内の前記物質の前記濃度を決定することと
を備える、方法。
【請求項２６】
前記生成するステップは、さらに、
複数の平面波を含む前記第１信号を放射することと、
前記第１信号の各前記平面波に前記少なくとも１つの軌道角運動量を与えることと
を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記与えるステップは、前記第１信号に固定軌道角運動量を与えることをさらに含む、
請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記与えるステップは、調整可能軌道角運動量生成回路部に提供される少なくとも１つの調整パラメータに応じて、選択された軌道角運動量を前記第１信号に与えることをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１信号が前記サンプルを通過した後に前記第１信号を受信することと、
前記軌道角運動量の前記検出された値が関連付けられた前記第１信号の第１部分を増幅することと
をさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
前記決定された各濃度からの濃度データを記憶することをさらに含む、請求項２５に記
載の方法。
【請求項３１】
前記決定された各濃度からの濃度データを遠隔地に伝達することをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
この出願は、２０１４年３月１２日に出願され「CONCENTRATION MEASUREMENTS USING PHOTON ORBITAL ANGULAR MOMENTUM」と題する米国仮出願第６１／９５１，８３４号（代理人事件番号ＮＸＧＮ−３２０８９）の利益を主張する、２０１４年７月２４日に出願され「SYSTEM AND METHOD FOR MAKING CONCENTRATION MEASUREMENTS WITHIN A SAMPLE MATERIAL USING ORBITAL ANGULAR MOMENTUM」と題する米国特許出願第１４／３３９，８３６号（代理人事件番号ＮＸＧＮ−３２１９６）の特許協力条約出願であり、参照によりこれらの明細書の全体が援用される。
【０００２】
［技術分野］
本発明は、様々な有機および非有機(non-organic)物質の濃度測定に関し、より詳細には、物質のサンプルを通過した波の軌道角運動量を用いた有機および非有機物質の濃度測定に関する。
【０００３】
［背景技術］
人体組織内の有機および非有機物質の濃度測定は、各個人に対するヘルスケアにとって、より重要となりつつある一面である。人体組織内の生物学的および代謝性物質を監視するための非侵襲性測定技術の発達は、様々な人間の疾病の診断療法の重要な一面であり、疾病の適切な管理において重要な役割を果たす可能性がある。
【０００４】
人体組織内において監視され得る生物学的物質の一例はグルコースである。グルコース（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）は単糖(monosaccharide sugar)であり、最も重要な炭水化物栄養源のひとつである。グルコースは、ほぼすべての生物学的プロセスの基礎であり、ＡＴＰアデノシン三リン酸その他の必須細胞物質の生産に必要となる。人間の血液中のグルコース濃度の通常の範囲は、最後の食事の時刻、物理的許容度(the extent of physical tolerance)および他の要因に依存し、７０〜１６０ｍｇ／ｄｌである。自由に循環するグルコース分子は膵臓からのインシュリンの解放を刺激する。インシュリンは、細胞膜(cell membrane)（通常はグルコースに対して不透過性である）内に２つの特定の受容器を拘束することによって、グルコース分子が細胞壁(cell wall)を貫通することを助ける。
【０００５】
グルコース濃度に関する問題に関連する疾病の１つは糖尿病である。糖尿病は、インシュリンの生産減少またはインシュリンを利用して細胞膜を通してグルコースを輸送する能力の減少によって起きる疾病である。結果として、疾病の間、血液内に潜在的に危険な高濃度のグルコースが蓄積する（高血糖）可能性がある。したがって、起こり得る重症生理学的合併症を防止するために、血液グルコース濃度を通常範囲内に維持することは非常に重要である。
【０００６】
生理学的グルコース監視の重要な役割の１つは、いくつかの代謝性疾病（たとえば、真性糖尿病(diabetes mellitus)または単に糖尿病(diabetes)等）の診断および管理である。現在、グルコースの監視に用いられる侵襲性および非侵襲性の技術がいくつかある。既存の非侵襲性グルコース監視技術の問題は、臨床的に需要可能なプロセスが未だ決定されていないということである。血液の分析からの標準的技術は、現在、個人が指を刺すことと、その後に、指から収集された血液サンプルを分析することとを伴う。ここ数十年では、非侵襲性の血液グルコース監視は、生物医学工学の領域において、ますます重要な研究トピックになってきている。とくに、当該分野では、光学的手法の導入がいくらかの進歩をもたらした。光学の進歩は、光学的結像技術(optical imaging technologies)に焦点を絞った関心および非侵襲性結像システム(non-invasive imaging systems)の発展を導いた。ガンの診断および処置における監視への光学的手法の応用もまた、光学的検出方法の単純さおよび低リスクのために、成長しつつある分野である。
【０００７】
生物組織内の様々な代謝産物およびグルコースを感知するための光学的技術が、過去５０年以上にわたって発展してきた。それらの方法は、繁栄した(florescent)、近赤外および中赤外分光法、ラマン分光法、光音響、光コヒーレンス断層撮影法、およびその他の技術に基づいていた。しかしながら、これらの試された技術のうち、まったく申し分ないとわかったものはない。
【０００８】
光学的物質濃度センシングに向いている別の有機構成要素は、人間の皮膚を含む。人間の皮膚の防御機構は、カロチノイド、ビタミン、酵素、等の抗酸化物質の作用に基づいている。ベータカロチンおよびリコピンは、人間の組織体内のカロチノイドの７０％以上に相当する。ベータカロチンおよびリコピンの局所的または組織的な(systematic)適用は、人体の防御系を改善するための一般的な戦略である。この処置の評価および最適化には、人体組織内の（とくに環境に対する障壁としての人間の皮膚において）ｂカロチンおよびリコピンの濃度測定を要する。
【０００９】
このように、人体または他種のサンプルにおける様々な物質の濃度の検出を可能にする改良された非侵襲性技術は、医療分野においていくつかの用途を有するであろう。
【００１０】
［サマリー］
本明細書に開示され説明される発明は、その一態様において、サンプル内の物質の濃度を測定するための装置を備える。信号生成回路部は、そこに与えられる少なくとも１つの軌道角運動量を有する第１信号を生成し、第１信号をサンプルに当てる。検出器が、第１信号がサンプルを通過した後に第１信号を受信するとともに、サンプルから受信した第１信号に伴う軌道角運動量の検出値に基づいて、サンプル内の物質の濃度を決定する。
【００１１】
より完全な理解のために、添付図面とともに読まれる以下の説明が参照される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】光ビームまたは他の波を用いてサンプル内の特定の物質の濃度を決定するための態様の概略的表現を示す図である。
【図２】軌道角運動量が伝えられた光ビームを示す図である。
【図３】平行波面列を示す図である。
【図４】波面の伝搬の向きの周りに螺線状に進むポインティングベクトルを有する波面を示す図である。
【図５】平面波面を示す図である。
【図６】螺旋波面を示す図である。
【図７】スピンベクトルにのみ変化を有する平面波を示す図である。
【図８】波に対する固有軌道角運動量の付与を示す図である。
【図９ａ】図９ｂおよび図９ｃとは異なる軌道角運動量を与えられた信号を示す図であり、相違を示す図である。
【図９ｂ】図９ａおよび図９ｃとは異なる軌道角運動量を与えられた信号を示す図であり、相違を示す図である。
【図９ｃ】図９ａおよび図９ｂとは異なる軌道角運動量を与えられた信号を示す図であり、相違を示す図である。
【図１０】様々な固有モードに対するポインティングベクトルの伝搬を示す図である。
【図１１】軌道角運動量を用いて様々な物質の濃度測定を提供する装置のブロック図である。
【図１２】図１１のシステムの放射器を示す図である。
【図１３】図１１のシステムの固定軌道角運動量生成器を示す図である。
【図１４ａ】平面波信号に様々な軌道角運動量を与える際に用いられるホログラムを示す図である。
【図１４ｂ】平面波信号に様々な軌道角運動量を与える際に用いられるホログラムを示す図である。
【図１４ｃ】平面波信号に様々な軌道角運動量を与える際に用いられるホログラムを示す図である。
【図１４ｄ】平面波信号に様々な軌道角運動量を与える際に用いられるホログラムを示す図である。
【図１５】エルミート・ガウスモードとラゲール・ガウスモードとの関係を示す図である。
【図１６】信号に軌道角運動量を与えるための、重ね合わされたホログラムを示す図である。
【図１７】図１１のシステムにおいて用いられる調整可能軌道角運動量生成器を示す図である。
【図１８】複数のホログラム画像を含む、調整可能軌道角運動量生成器のブロック図である。
【図１９】ＯＡＭ生成器の出力が、他の軌道角運動量を与えることによって変化し得る態様を示す図である。
【図２０】ＯＡＭ生成器がエルミート・ガウスビームをラゲール・ガウスビームに変換可能である代替的態様を示す図である。
【図２１】ＯＡＭ生成器内のホログラムが光のビームをねじることができる態様を示す図である。
【図２２】ＯＡＭねじれ波をサンプルが受信し、特定のＯＡＭシグネチャを有する出力波を提供する態様を示す図である。
【図２３】軌道角運動量が、軌道角運動量のビーム軸の周りの分子と相互作用する態様を示す図である。
【図２４】受信した軌道角運動量信号を増幅する整合回路部のブロック図である。
【図２５】より高次の軌道角運動量光ビームを生成するために、整合モジュールが非線形結晶を使用可能な態様を示す図である。
【図２６】軌道角運動量検出器およびユーザインタフェースのブロック図である。
【図２７】サンプルを通過する光ビームのスピン角偏波および軌道角偏波に対するサンプルの濃度の影響を示す図である。
【図２８】サンプルを通過する光ビームの軌道角運動量偏波を変更するプロセスをより詳細に示す図である。
【図２９】図１１のシステムのユーザインタフェースのブロック図である。
【図３０】図１１に示すような装置を介して収集されたデータを伝達してまわるネットワーク構成を示す図である。
【図３１】軌道角運動量を用いてグルコースの濃度を測定する装置のより詳細な実施形態のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［詳細な説明］
軌道角運動量を用いてサンプル物質内の濃度測定を行うシステムおよび方法の様々な視点および実施形態が、図面（全体を通して、類似の要素を指すために類似の参照番号が用いられている）を参照して図示され説明され、他の可能な実施形態が説明される。各図は必ずしも縮尺を表すように描かれてはおらず、図示のみの用途で、場合によっては図面が部分的に誇張または単純化されている。当業者は、以下の、可能な実施形態の例に基づき、多くの可能な応用および変形を理解する。
【００１４】
図面（とくに図１）を参照すると、特定の物質サンプル１０２を通って伝達される光ビームまたは他の波に与えられた軌道角運動量を用いて物質サンプル１０２の濃度が監視可能である態様の概略的表現が示されている。物質サンプル１０２には、物質サンプル１０２の全長を通してビーム１０４が照射されている。物質サンプル１０２を通過した後、出射ビーム１０６は物質サンプルを離れ、物質サンプル１０２内の様々な濃度特性を決定するために分析されてもよい。出射ビーム１０６内で物質サンプル１０２の様々な特性が決定可能な態様は、物質サンプル１０２内の濃度によって出射ビーム１０６に伝達された軌道角運動量シグネチャの分析に関して達成される。
【００１５】
図２も参照すると、システムとともに用いるためのビームの一実施形態が示される。光ビーム１０４は、光ビーム１０４内の光子流２０２からなる。各光子は
【００１６】
【数１】
0006567572.tif 000002
【００１７】
のエネルギーと、波面に垂直な光ビーム軸２０４に沿って向けられた線形運動量
【００１８】
【数２】
0006567572.tif 000003
【００１９】
とを有する。周波数と無関係に、光ビーム内の各光子２０２は、光ビーム伝搬の向きと平行または逆平行に揃った
【００２０】
【数３】
0006567572.tif 000004
【００２１】
のスピン角運動量２０６を有する。全光子２０２のスピンが揃うことにより、円偏光ビームが生じる。円偏波に加え、光ビームは、円偏波に依存しない（したがって光子スピンに関係しない）軌道角運動量２０８も搬送する場合がある。
【００２２】
定義された周波数の行儀のよい光ビーム源として、光学実験において広くレーザーが用いられる。図１に関して説明した光ビーム１０４を提供するために、レーザーが用いられてもよい。任意の光ビーム１０４内のエネルギー束は、光ビーム内の電磁界のベクトル積から計算され得るポインティングベクトルによって与えられる。真空または任意の等方性物質において、ポインティングベクトルは波数ベクトル(wave vector)に平行であり、光ビームの波面に垂直である。通常のレーザー光では、図３に示すように各波面３００は平行である。光子の線形運動量および波数ベクトルは、ｚの向きの軸３０２に沿って向けられる。このような光ビームの場の分布はマックスウェルの波動方程式の近軸解であり、これらの単純なビームが最もありふれているが、他の可能性も存在する。
【００２３】
たとえば、ｌ個の絡み合った螺旋波面を持つビームもまた、波動方程式の解である。これらの複雑なビームの構造は可視化困難であるが、それらの形状はｌ＝３フジッリパスタからよく知られている。最も重要なことは、図４に４０２で示すように、その波面は、ポインティングベクトルと、光ビームの伝搬の軸の向きの周りに螺旋状に進む波数ベクトルとを有するということである。
【００２４】
ポインティングベクトルは波面上に方位角成分を有し、ビーム断面にわたって積分した時の合成はゼロではない。円偏光のスピン角運動量も同様にして解釈可能である。円偏波した平面波面を持つビームは、軌道角運動量を持たない場合であっても、径方向強度勾配に比例するポインティングベクトルの方位角成分を有する。これを光ビームの断面にわたって積分すると有限の値となる。ビームが線形に偏波しているときには、ポインティングベクトルの方位角成分はなく、したがってスピン角運動量もない。
【００２５】
このように、光ビーム１０４内の各光子２０２の運動量は方位角成分を有する。運動量の詳細な計算には、光ビーム内の全電界および全磁界（とくにビームの伝搬の向きの電界および磁界）を必要とする。ビーム内の各点について、運動量の方位角成分とｚ成分との比はｌ／ｋｒであることがわかる。（ただし、ｌ＝＿＿であり、ｋ＝＿＿であり、ｒ＝＿＿である。）光ビーム１０４内の各光子２０２の線形運動量は
【００２６】
【数４】
0006567572.tif 000005
【００２７】
で与えられるので、半径ベクトルｒ内の方位角成分のクロス積を取ると、光子２０２について
【００２８】
【数５】
0006567572.tif 000006
【００２９】
の軌道運動量を得る。波数ベクトルの方位角成分はｌ／ｒであり、波長に無関係であるということにも注意すべきである。
【００３０】
図５および６を参照すると、平面波面および螺旋波面が示される。通常は、平面波面５０２を持つレーザービームはエルミート・ガウスモードの観点から特徴付けられる。これらのモードは矩形対称性を有し、ｍ５０４およびｎ５０６という２つのモードインデックスによって記述される。ｘの向きにｍ個のノードがあり、ｙの向きにｎ個のノードがある。合わせると、ｘの向きおよびｙの向きにおける合成モードは、ＨＧｍｎ５０８とラベル付けされる。これに対し、図６に示すように、螺旋波面６０２を持つビームは、インデックスＩ６０３と、絡み合う螺旋の数６０４と、径方向ノードの数ｐ６０６とによって記述されるラゲール・ガウスモードの観点から最もよく特徴付けられる。ラゲール・ガウスモードはＬＧｍｎ６１０とラベル付けされる。ｌ≠０について、光ビーム１０４上の位相特異点は結果として軸強度上で０となる。螺旋波面を持つ光ビーム１０４が円偏波もしている時には、角運動量は軌道成分およびスピン成分を有し、光ビームの全角運動量は光子ごとに
【００３１】
【数６】
0006567572.tif 000007
【００３２】
となる。
【００３３】
伝達されるエネルギー信号の軌道角運動量状態を用いて、信号によって伝達される電磁放射内に物理的情報を埋め込むことができる。マックスウェル・ヘビサイド方程式は次のように表せる：
【００３４】
【数７】
0006567572.tif 000008
【００３５】
ただし∇はデル演算子であり、Ｅは電界強度であり、Ｂは磁束密度である。これらの方程式を用いて、マックスウェルの原方程式から２３個の対称性／保存量を導出することができる。しかしながら、よく知られた保存量は１０個しかなく、それらのうちいくつかのみが商業的に用いられる。歴史的に、マックスウェルの方程式が元の四元形式に維持される場合、対称性／保存量を見て取るのが比較的容易であるが、ヘビサイドによる現在のベクトル形式に修正された時には、マックスウェル方程式にそのような固有の対称性を見て取るのが比較的困難となった。
【００３６】
保存量および電磁界は、系のエネルギーの保存と、系の線形運動量の保存とに従って表現することができる。時間の対称性すなわち系のエネルギーの保存は、上記各方程式に従い、ポインティングの定理を用いて表現することができる：
【００３７】
【数８】
0006567572.tif 000009
【００３８】
空間対称性すなわち電磁的ドップラーシフトを表す系の線形運動量の保存は、次の各方程式により表される：
【００３９】
【数９】
0006567572.tif 000010
【００４０】
系のエネルギー中心の保存は、次の方程式によって表される：
【００４１】
【数１０】
0006567572.tif 000011
【００４２】
同様に、系の角運動量の保存（方位角のドップラーシフトを生じる）は、次の方程式によって表される：
【００４３】
【数１１】
0006567572.tif 000012
【００４４】
自由空間内の放射ビームについては、ＥＭフィールド角運動量Ｊｅｍが２つの部分に分けられる：
【００４５】
【数１２】
0006567572.tif 000013
【００４６】
実数値表現における特異フーリエモードのそれぞれについて、
【００４７】
【数１３】
0006567572.tif 000014
【００４８】
第１の部分はＥＭスピン角運動量Ｓｅｍであり、その古典的な発現は波の偏波である。第２の部分はＥＭ軌道角運動量Ｌｅｍであり、その古典的な発現は波の螺旋性（ヘリシティ）である。一般的に、ＥＭ線形運動量ＰｅｍおよびＥＭ角運動量Ｊｅｍ＝Ｌｅｍ＋Ｓｅｍは、遠距離電磁界(far field)までずっと放射される。
【００４９】
ポインティングの定理を用いて、信号の光学的渦度は、光学的速度方程式
【００５０】
【数１４】
0006567572.tif 000015
【００５１】
に従って決定可能である。ただしＳは、ポインティングベクトル
【００５２】
【数１５】
0006567572.tif 000016
【００５３】
であり、Ｕは、エネルギー密度
【００５４】
【数１６】
0006567572.tif 000017
【００５５】
であり、ＥおよびＨはそれぞれ電界および磁界を構成し、εおよびμ０はそれぞれ媒体の誘電率および透磁率である。この場合、光学的渦度Ｖは、方程式
【００５６】
【数１７】
0006567572.tif 000018
【００５７】
に従って、光学的速度の回転によって決定可能である。
【００５８】
図７および８を参照すると、スピンベクトルのみが変化する平面波の状況（図７）において、および、伝搬の向きの周りにポインティングベクトルを螺旋状に進ませる態様でスピンおよび軌道ベクトルが変化する状況（図８）において、信号および信号に関連するポインティングベクトルが変化する態様が示される。
【００５９】
図７に示される平面波の状況において、平面波のスピンベクトルのみが変化する時には、伝達される信号は、３つの構成のうち１つを取る可能性がある。各スピンベクトルが同一の向きである時には、概して７０４で示されるように線形信号が提供される。なお、７０４は線形信号を提供するためにｘ方向にのみ変化するスピンベクトルを示しているが、スピンベクトルは、７０４に示すものと同様であるが７０４に示す信号と直交する方向の線形信号を提供するためにｙ方向に変化することもできるということに注意すべきである。７０４に示すような線形偏波では、信号の各ベクトルは同一の向きであり、同一の大きさを有する。
【００６０】
７０６に示すような円偏波内では、各信号ベクトル７１２は互いに対して９０度であるが、同一の大きさを有する。これにより、信号は７０６に示すように伝搬し、図７に示す円偏波７１４を提供する。楕円偏波７０８でも各信号ベクトル７１６は互いに対して９０度であるが、互いに異なる大きさを有する。これにより、信号伝搬４０８について示される楕円偏波７１８を提供する。図７Ａに示される平面波については、図示される様々な信号構成について、ポインティングベクトルは一定の向きに維持される。
【００６１】
図８の状況は、信号に固有軌道角運動量が与えられた時を示す。これが起きると、ポインティングベクトルＳ８１０は、信号の伝搬の概略的な向き８１２の周りを螺旋状に進む。ポインティングベクトル８１０は、３つの軸成分Ｓφ，ＳｐおよびＳｚを有し、これらは、ベクトルを信号の伝搬の向き６１２の周りに螺旋状に進ませながら変化する。後述するように、ポインティングベクトル８１０を構成する様々なベクトルの値が変化することにより、各信号を同一の波長または周波数上で伝達できるようにするために、ポインティングベクトルの螺旋が変化する場合がある。加えて、ポインティングベクトル４１０によって示される軌道角運動量の各値は、濃度走査機構によって処理される特定の物質に関連付けられた濃度を決定するために測定することができる。
【００６２】
図９ａ〜９ｃは、異なるヘリシティ（すなわち与えられた軌道角運動量）を有する各信号における相違を示す。異なるヘリシティは、ビームが通過したサンプル内の物質の異なる濃度を示す。信号に関連付けられた特定の軌道角運動量シグネチャを決定することにより、物質の濃度量を決定することができる。信号９０２、９０４および９０６に関連付けられた、螺旋状に進むポインティングベクトルのそれぞれが、異なる形状の信号を提供する。信号９０２は＋１の軌道角運動量を有し、信号９０４は＋３の軌道角運動量を有し、信号９０６は−４の軌道角運動量を有する。各信号は、個別の軌道角運動量と、関連付けられたポインティングベクトルとを有し、これによって、検出された軌道角運動量に関連付けられた物質の特定の濃度を信号が示すことを可能にする。これによって、各軌道角運動量が個別に検出可能であり、サンプル物質を通って伝達された信号の軌道角運動量に影響を与えた特定の物質の濃度の固有の指標を提供するので、信号から決定されるべき、様々な種類の物質の濃度の決定が可能になる。
【００６３】
図１０は、様々な固有モードについてポインティングベクトルの伝搬を示す。各リング１０２０は、異なる軌道角運動量を表すねじれまたは異なる固有モードを表す。異なる軌道角運動量は、それぞれ、ある特定の物質のある特定の濃度に関連付けられる。軌道角運動量の向きは、装置によって監視される、関連付けられた物質濃度の指標を提供する。各リング１０２０は、それぞれ、監視中の選択された物質の異なる濃度を表す。各固有モードは、異なる物質濃度を示すリングを生成するポインティングベクトル１０２２を有する。
【００６４】
図１１を参照すると、上述の原理に従って、装置によって検出される軌道角運動量に応じて様々な物質の濃度測定を提供する装置のブロック図が示されている。放射器１１０２は、平面波の列を含む波エネルギー１１０４を発信する。放射器１１０２は、図３に関連して上述したような平面波の列を提供してもよい。軌道角運動量生成回路部１１０６は、既知の態様で、波１１０８に与えられる軌道角運動量を有する波の列を生成する。軌道角運動量生成回路部７０６は、後に詳述するように、ホログラムまたは他の種類の軌道角運動量生成プロセスを利用してもよい。軌道角運動量ねじれ波７０８は、試験中のサンプル物質１１１０に当てられる。サンプル物質１１１０は物質を含み、物質の濃度は、本明細書に記載のプロセスに従って、濃度検出装置を介して決定される。
【００６５】
サンプル物質７１０からの出力波１１１２の列がサンプルを出射し、サンプル物質７１０内の、研究中の特定の物質の濃度の結果として、特定の軌道角運動量を与えられる。出力波１１１２は、研究中の具体的物質によって生成された特定の軌道角運動量を増幅するためのマッピング開口を含む整合モジュール１１１４に当てられる。整合モジュール１１１４は、装置によって検出される、物質の特定の濃度に関連付けられた軌道角運動量を増幅する。増幅されたＯＡＭ波１１１６は、検出器１１１８に提供される。検出器１１１８は、サンプル内の物質の濃度に関するＯＡＭ波を検出し、この濃度情報をユーザインタフェース１１２０に提供する。ユーザインタフェース１１２０は濃度情報を解釈し、関連する濃度指標を個人または記録装置に提供する。
【００６６】
図１２を参照すると、放射器１１０２がより詳細に示されている。放射器１１０２は、ＯＡＭ生成モジュール１１０６に、いくつかの種類のエネルギー波１１０４を放射してもよい。放射器１１０２は、光学的波(optical wave)１２００、電磁波１２０２、音響波１２０４、または他の任意の種類の粒子波１２０６を放射してもよい。放射された波１１０４は、図７に示されるような、軌道角運動量が与えられておらず、様々な種類の放射装置から到来することができ、情報が含まれている平面波である。一実施形態では、放射装置はレーザーを備えてもよい。平面波は、ねじれもヘリシティも与えられていない互いに平行な波面を有し、波の軌道角運動量は０に等しい。平面波内のポインティングベクトルは、波の伝播の向きと完全に整列している。
【００６７】
ＯＡＭ生成モジュール１１０６は、入射する平面波１１０４を処理して、放射器１１０２から提供される平面波１１０４に既知の軌道角運動量を伝達する。ＯＡＭ生成モジュール１１０６は、放射器７０２の平面波から、ねじれたまたは螺旋状の、電磁波、光学的波、音響波、または他の種類の粒子波を生成する。螺旋波１１０８は、伝搬の向きに整合しておらず、図５に示すように、伝搬の向きの周りに進む。ＯＡＭ生成モジュール１１０６は、一実施形態では、図１３に示すような固定軌道角運動量生成器１３０２を備えてもよい。固定軌道角運動量生成器１３０２は、放射器１１０２から平面波１１０４を受信し、固定軌道角運動量が与えられた出力波１３０４を生成する。
【００６８】
固定軌道角運動量生成器１３０２は、一実施形態では、ＯＡＭねじれ波９０４を生成するために、平面波１１０４に固定軌道角運動量を与えるためのホログラフィ画像を備えてもよい。軌道角運動量生成器１１０２に当てられている光信号に対する所望の軌道角運動量ねじれを作成するために、様々な種類のホログラフィ画像を生成することができる。図１４ａ〜１４ｄに、これらのホログラフィ画像の様々な例が示されている。一実施形態では、軌道角運動量生成回路部７０６によって放射器１１０２から発信される平面波信号の変換は、ホログラフィ画像を用いて達成されてもよい。
【００６９】
大部分の商用レーザーは、ガウス関数(Gaussian function)によって記述される横方向の強度と平面波面とを持つ、ＨＧ００（エルミート・ガウス）モード１５０２を放射する（図１５）。ＨＧ００エルミート・ガウスモード１５０２をラゲール・ガウスモード１５０４にうまく変換するためにいくつかの異なる方法が用いられてきたが、最も簡単に理解できるものはホログラムの使用である。
【００７０】
ラゲール・ガウスビームを記述する円筒対称解ｕｐｌ（ｒ，φ，ｚ）は次の方程式で与えられる：
【００７１】
【数１８】
0006567572.tif 000019
【００７２】
ただしｚＲはレイリー範囲であり、ｗ（ｚ）はビームの半径であり、Ｌｐはラゲール多項式であり、Ｃは定数であり、ビームウェスト(beam waist)はｚ＝０にある。
【００７３】
最も単純な形式では、所望のビームが小さい角度で従来のレーザーのビームと交差する時に結果として生じる計算された干渉パターンから、コンピュータ生成ホログラムが作成される。計算されたパターンは高解像ホログラフィフィルムに転写される。現像されたホログラムが元のレーザービーム中に配置されると、結果として回折パターンが生じる。これの１次(first order)は、所望の振幅および位相分布を有する。これは、ＯＡＭ生成モジュール１１０６を実装するための一態様である。ＯＡＭ生成モジュール内で用いるためのホログラフィ画像のいくつかの例が、図１４ａ〜１４ｅに関して示される。
【００７４】
ホログラムの設計には、様々な複雑さのレベルがある。黒と白のみを含みグレースケールを持たないホログラムは、バイナリホログラムと呼ばれる。バイナリホログラム内では、２つの干渉するビームの相対的強度には意味がなく、ホログラムの透過は、ゼロとπの間の計算された位相差についてゼロにセットされるか、または、πと２πの間の位相差について単位量にセットされる。バイナリホログラムの制限は、入射した電力がほとんど１次の回折スポットに到達しないということである（格子を照射する(blaze)ことによって部分的に解消されるが）。モードの純度がとくに重要である時には、回折したビームが要求される径方向プロファイルを有するようにパターンのコントラストが半径の関数として変化する、より複雑なホログラムを作成することも可能である。
【００７５】
ホログラフィ画像１４０２を通って照射される平面波は、ホログラフィ画像１４０２を通過した後には、所定の軌道角運動量シフトを与えられている。ＯＡＭ生成器１１０２は、ホログラフィ画像を通過するビームに、同一の画像が用いられ適用されるという意味において、固定されている。ホログラフィ画像１４０２は変化しないので、ホログラフィ画像１４０２を通過するビームに対しては常に同一の軌道角運動量が与えられる。図１４ａ〜１４ｅは、軌道角運動量生成器１１０２内で利用可能な様々なホログラフィ画像のいくつかの実施形態を示すが、画像１４０２を通って照射されるビーム内で所望の軌道角運動量を達成するために、任意の種類のホログラフィ画像１４０２が利用可能であるということが理解される。
【００７６】
図１６に示すホログラフィ画像の別の例では、豊富な数の軌道角運動量（ｌ）を生成するために２つの独立したホログラムが互いにグリッディングされた(gridded)ものを利用するホログラムが示される。図１６の重ね合わされたホログラムは、合成渦格子１６０２を構成するために互いに重ね合わされたｌ＝１およびｌ＝３の軌道角運動量を有する。利用される各ホログラムは、線上（ｌ＝＋１，ｌ＝０，ｌ＝−１）のみならず、多数の変数をより容易に特定できる正方形上で、変化する数の軌道角運動量（ｌ）を生成するために、２つのホログラムが互いにグリッディングされた態様で構築されてもよい。このように、図１６の例では、上縁に沿って軌道角運動量は＋４から＋１まで、−２まで変化し、下縁では＋２から−１まで、−４まで変化する。同様に、左縁に沿って軌道角運動量は＋４から＋３まで、＋２まで変化し、右縁では−２から−３まで、−４まで変化する。ホログラムの水平中心を横切って、提供される軌道角運動量は＋３から０まで、−３まで変化し、垂直軸に沿って＋１から０まで、−１まで変化する。このように、ビームが通過し得る格子の部位によって、変化する軌道角運動量が達成可能である。
【００７７】
図１７を参照すると、固定軌道角運動量生成器に加え、軌道角運動量生成回路部１１０６はまた、調整可能軌道角運動量生成回路部１７０２を備えてもよい。調整可能軌道角運動量生成器１７０２は、入力平面波１１０４を受信するが、さらに、１つ以上の調整パラメータ１７０４を受信する。調整パラメータ１７０４は、選択された軌道角運動量を与えるために調整可能ＯＡＭ生成器１７０２を調整し、ＯＡＭ生成器１７０２から出力される調整されたＯＡＭ波１７０６が選択された軌道角運動量値を与えられるようにする。
【００７８】
これは任意の数の仕方で達成可能である。図１８に示す一実施形態では、調整可能軌道角運動量生成器１００２は、調整可能ＯＡＭ生成器１７０２内に複数のホログラム画像１８０２を含んでもよい。調整パラメータ１７０４は、選択回路１８０４を通して所望のＯＡＭ波ねじれ出力信号１７０６を提供するために、ホログラフィ画像１８０６のうち１つを選択できるようにする。代替的に、図１６に記載するようなグリッディングされたホログラフィ画像が利用されてもよく、所望のＯＡＭ出力を提供するために、ビームがグリッディングされた画像の一部に照射されてもよい。調整可能ＯＡＭ生成器１７０２は、提供された入力パラメータ１７０４に基づいて出力軌道角運動量波１７０６に特定の軌道角運動量を与えるように制御されるという利点を有する。これによって、様々な異なる物質の濃度を監視することが可能となる（または、代替的に、監視すべき同一の物質の様々な異なる濃度に対して）。
【００７９】
図１８を参照すると、調整可能軌道角運動量生成器１７０２のブロック図がより詳細に実施されている。生成器１７０２は、提供される光信号に様々な種類の軌道角運動量を提供するための複数のホログラフィ画像１８０２を含む。これらのホログラフィ画像１８０２は、入力された調整パラメータ１７０４に応じた選択回路１８０４に応じて選択される。選択されたフィルタ１８０６は、選択コントローラ１８０４に応じて選択されたホログラフィ画像を備えており、調整された軌道角運動量波出力１７０６を提供するために、入力平面波１１０４を受信する。このようにして、ＯＡＭ生成回路部１１０６から所望の軌道角運動量を有する信号が出力可能である。
【００８０】
図１９を参照すると、ＯＡＭ生成器１１０６の出力が異なる軌道角運動量を与えることによって信号を変化させ得る態様が示されている。図１９は、ポインティングベクトルがもはやビーム軸に平行ではなく、したがって軌道角運動量が与えられている螺旋位相面を示す。ビーム内の任意の固定径において、ポインティングベクトルは軸周りの螺旋軌跡に従う。各行はｌ（軌道角運動量量子数）によってラベル付けされ、
【００８１】
【数１９】
0006567572.tif 000020
【００８２】
は出力信号内の光子あたりのビーム軌道角運動量である。各ｌについて、左列１９０２は光ビームの瞬時位相である。中央列１９０４は角強度プロファイルを含み、右列１９０６は、そのようなビームが平面波と干渉し、螺旋強度パターンを生成する時に何が起こるかを示す。これは、図１９の様々な行内に−１，０，１，２，３の軌道角運動量について示されている。
【００８３】
図２０を参照すると、ＯＡＭ生成器１１０６が、モード変換器２００４およびドーブプリズム(Dove prism)２０１０を用いて、放射器１１０２からのエルミート・ガウスビーム出力を、軌道角運動量が伝達されたラゲール・ガウスビームに変換可能な、代替的態様が示されている。エルミート・ガウスモード平面波２００２は、π／２モード変換器２００４に提供される。π／２モード変換器２００４は、ラゲール・ガウスモード２００６でビームを生成する。ラゲール・ガウスモードビーム２００６は、逆ラゲール・ガウスモード信号２０１２を生成するために、モードを反転させるπモード変換器２００８またはドーブプリズム２０１０に当てられる。
【００８４】
図２１を参照すると、ＯＡＭ生成器１１０６内のホログラムがねじれ光ビームを生成する態様が示されている。ホログラム２１０２は、螺旋波面を有し、光子あたりの軌道角運動量ｌｈが関連付けられた光ビーム２１０４および光ビーム２１０６を生成可能である。所望のビーム形態２１０４，２１０６と、平面波２１０８との間の干渉パターンから、適切なホログラム２１０２が計算または生成される。結果となるホログラム２１０２内のホログラフィパターンは回折格子に似ているが、ビーム軸においてｌプロングの位置変化を有する。ホログラムが平面波２１０８で照射された時、１次の回折ビーム２１０４および２１０６は、所望の１次回折ビーム表示２１１０を提供するための、所望の螺旋波面を有する。
【００８５】
図２２を参照すると、ＯＡＭ生成器１１０６から提供される入力ＯＡＭねじれ波１１０８をサンプル１１１０が受信し、サンプル１１１０内の特定の監視される物質の濃度に基づく、特定のＯＡＭシグネチャが関連付けられた出力ＯＡＭ波１１１２を提供する態様が、より詳細に示されている。サンプル１１１０は、研究中の任意のサンプルを含んでよく、固体形態、液体形態または気体形態であってもよい。本明細書に記載されるシステムを用いて検出可能なサンプル物質１１１０は、様々な異なる物質を含んでもよい。上述のように、物質は、血液、水、油または化学物質のような液体を含んでもよい。検出のために様々な種類の炭素結合（Ｃ−Ｈ、Ｃ−Ｏ、Ｃ−Ｐ、Ｃ−ＳまたはＣ−Ｎ）が提供されてもよい。システムは、炭素原子間の様々な種類の結合（単結合（メタンまたはイソオクタン）、二重結合物（ブタジエンおよびベンゼン）または三重結合物（アセチレン等））を検出可能であってもよい。
【００８６】
サンプル１１１０は、有機複合物質（炭水化物、脂質（グリセロール（cylcerol）および脂肪酸）、核酸（Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｐ）（ＲＮＡおよびＤＮＡ）、または様々な種類のタンパク質（アミノＮＨ２のポリマー（polyour）およびカルボキシルＣＯＯＨ等）またはアミノ（トリプトファン、チロシンおよびフェニルアラニン等））等の検出可能な品目を含んでもよい。サンプル１１１０内の様々な連鎖(chain)（モノマー、異性体およびポリマー等）もまた検出されてもよい。サンプル内のＡＴＰおよびＡＤＰ等の酵素が検出されてもよい。身体の腺によって生成または放出される物質がサンプル内にあってもよく、検出されてもよい。これらは、筒状器官(tube)／導管(duct)を介して外分泌腺によって放出される品目、血液サンプル内に直接的に放出される内分泌腺、またはホルモンを含む。サンプル１１１０内で分泌物が検出可能な様々な種類の腺は、視床下部、松果体、下垂体、副甲状腺、甲状腺、胸腺、胴の副腎および膵臓、および、男性または女性の卵巣または精巣から放出されるホルモンを含む。
【００８７】
サンプル１１１０は、個人の血液および尿内の様々な種類の生化学マーカー（メラノサイトおよびケラチノサイト等）を検出するために用いることもできる。サンプル１１１０は、含まれる防衛物質を検出するために身体の様々な部位を含んでもよい。たとえば、皮膚に関して、サンプル１１１０は、カロチノイド、ビタミン、酵素、ｂカロチンおよびリコピンを検出するために用いられてもよい。目の色素に関して、メラニン／ユーメラニン、ジヒドロキシインドールまたはカルボキシル基を持つもの(carboxylic)が検出されてもよい。システムは、サンプル１１１０内の身体の生合成経路内の様々な種類の物質（ヘモグロビン、ミオグロビン、チトクローム、ポルフィリン分子（プロトポルフィリン、コポルフィリン、ウロポルフィリン、ヘマトポルフィリン、等）を含む）を検出してもよい。サンプル１１１０は、プロピオン酸菌、アクネ等の、検出すべき様々なバクテリアを含んでいてもよい。また、様々な種類の歯垢バクテリア（porphyromonos gingivitis、prevotella intremediおよびprevotella nigrescens等）が検出されてもよい。サンプル１１１０はまた、血液サンプル１１１０内のインシュリンにおけるグルコースの検出に用いられてもよい。
【００８８】
サンプル１１１０内で提供されたビーム内の軌道角運動量は、物質分子の回転に基づき、光から物質分子へと伝達されてもよい。螺旋波面を持つ円偏波レーザービームがビーム軸の周りの光の角リング(angular ring)内に分子をトラップする時、軌道角運動量およびスピン角運動量双方の伝達を観測することができる。このトラップは、リングの強度勾配によって機械的束縛なしに達成される光ピンセット(optical tweezing)の一形態である。分子に伝達された軌道角運動量は、図２３の２３０２に示すように、分子をビーム軸の周りに周回させる。スピン角運動量は、２３０４に示すように、分子をそれ自身の軸上でスピンさせる。
【００８９】
サンプル１１１０からの出力ＯＡＭ波１１１２には、入力ＯＡＭ波１１０８上で提供された軌道角運動量とは異なる軌道角運動量が関連付けられることになる。出力ＯＡＭ波１１１２における相違は、サンプル１１１０内に含まれる物質と、サンプル１１１０内のそれらの物質の濃度とに依存する。異なる濃度の異なる物質には、それぞれ固有の軌道角運動量が関連付けられる。このように、出力ＯＡＭ波１１１２に関連付けられた特定の軌道角運動量シグネチャを分析することによって、サンプル１１１０内に存在する物質について決定を行うことができ、サンプル内におけるそれらの物質の濃度もまた決定可能となる。
【００９０】
図２４を参照すると、整合モジュール１１１４は、サンプル１１１０から、サンプル１１１０を通過する波に伝達された軌道角運動量に基づいて特定のシグネチャが関連付けられた出力軌道角運動量波１１１２を受信する。整合モジュール１１１４は、増幅された波（対象の所望の軌道角運動量２４１６が増幅されている）を提供するために、特定の対象軌道角運動量を増幅する。整合モジュール１１１４は、研究中の具体的物質または特性に関連付けられた検出軌道角運動量を増幅する整合開口を備えてもよい。整合モジュール１１１４は、一実施形態では、対象の所望の軌道角運動量波を増幅するために、図１４ａ〜１４ｄに関して説明したようなホログラフィフィルタを備えてもよい。整合モジュール１１１４は、システムが検出しようと試みる対象の具体的な物質に基づいて設置される。整合モジュール１１１４は、図１４ａ〜１４ｄに示すようなホログラムを用いる固定モジュールを備えてもよいし、ＯＡＭ生成モジュール１１０６に関して論じたものと同様の態様の調整可能モジュールを備えてもよい。その場合、サンプル１１１０内の異なる物質または物質の異なる濃度を検出するために、整合モジュールによっていくつかの異なる軌道角運動量が増幅されてもよい。整合モジュール１１１４の構成要素の他の例は、サンプル１１１０からの受信波形内の任意の所望の軌道角運動量値を増幅するための、量子ドット、ナノ物質またはメタ物質の使用を含む。
【００９１】
図２５を参照すると、整合モジュール１１１４は、所望の軌道角運動量信号を増幅するために、ホログラフィ画像の使用ではなく、より高い(higher)軌道角運動量光ビームを生成するために、非線形結晶を用いてもよい。非線形結晶２５０２を用いると、基本成分軌道角運動量ビーム２５０４が非線形結晶２５０２に当てられてもよい。非線形結晶２５０２は２次調和信号２５０６を生成する。
【００９２】
図２６を参照すると、検出器１１１８（これに対して検出器１１１８が所望のＯＡＭ測定値２６０２を抽出できるようにするために、整合回路１１１４から増幅された軌道角運動量波１１１６）がより詳細に示されている。検出器１１１８は、増幅されたＯＡＭ波１１１６を受信し、放射された波の軌道角運動量における、サンプル１１１０内の研究中の特定の物質の濃度に起因する観測可能な変化を、検出し測定する。検出器１１１８は、サンプル１１１０に当てられた入力ＯＡＭ波１１０８の状態からの、放射され増幅されたＯＡＭ波１１１６内の観測可能な変化を測定することができる。抽出されたＯＡＭ測定値２６０２は、ユーザインタフェース１１２０に適用される。検出器１１１８が軌道角運動量における相違を検出可能な態様は、図２７〜２９に関してより詳細に示される。
【００９３】
図２７は、サンプル２７０２を通って光のビームが通過することに起因するスピン角偏波および軌道角偏波の間の影響における相違を示す。サンプル２７０２ａでは、サンプル２７０２ａを通過するビームに応じてスピン角偏波が変化する態様が示されている。サンプル２７０２ａを通過する波の偏波（特定のスピン角運動量２７０４を有する）は、位置２７０４から新たな位置２７０６へと回転する。この回転は同一の偏波面内で発生する。同様にして、サンプル２７０２ｂに関して示されるように、画像がサンプル２７０２ｂを通過する前に、概して２７０８で示されるような画像が現れる。サンプル２７０２ｂを通して画像を通過させる際に、画像は、２７１０で示される位置から２７１２で示される回転後位置へと回転する。回転の量は、サンプル２７０２内の検出される物質の濃度のレベルに依存する。このように、図２７のサンプル２７０２に関してわかるように、サンプル２７０２内の物質の濃度に基づいて、スピン角偏波および軌道角運動量の双方が変化する。軌道角運動量内の変化によって発生する画像の回転の量を測定することによって、特定の物質の濃度を決定することができる。
【００９４】
この全体的なプロセスは、図２８により詳細に示される。光源２８０２は拡大光学部品２８０４を通して光ビームを照射する。拡大された光ビームは、ビームに軌道角運動量を伝達するメタラブ生成ホログラム(metalab generated hologram)２８０６を通って当てられる。ホログラム２８０６からのねじれビームが、特定長Ｌを有するサンプル２８０８を通って照射される。これにより、様々な軌道角運動量２８１０が関連付けられたいくつかの検出可能な波を生成するために、サンプル２８０８の出力側にねじれビームが生成される。サンプル２８０８に当てられる光ビームに関連付けられた画像２８１２は、サンプル２８０８内の物質の濃度に依存して、角度φだけ回転する。画像２８１２の回転φは、軌道角運動量の各値−ｌまたは＋ｌごとに異なる。画像Δφの回転の変化は、次の方程式に従って記述される：
Δφ＝φｌ−φ−ｌ＝ｆ（ｌ，Ｌ，Ｃ）
ただしｌは軌道角運動量数であり、Ｌはサンプルの経路長であり、Ｃは検出される物質の濃度である。
【００９５】
このように、サンプルＬの長さが既知であり、軌道角運動量は本明細書に記載のプロセスを用いて決定可能であるので、これら２片の情報は、提供されたサンプル内の物質の濃度を計算することができる。
【００９６】
上述の方程式は、図２９により詳細に示すユーザインタフェース内で利用可能である。ユーザインタフェース１１２０は、なんらかの種類のユーザディスプレイにおいて表示可能な濃度情報２９０４の生成を規定する内部アルゴリズム２９０２を用いて、ＯＡＭ測定値２５０２を処理する。このアルゴリズムは、一実施形態では、サンプルの長さと、軌道角運動量において検出された変化とに基づいて濃度を決定するために、上述の方程式を利用する。濃度を計算するための処理は、実験室のセッティングにおいて実行可能である（情報が無線で実験室に伝送されてもよく、ローカルエリアネットワークまたはワイドエリアネットワークを介して個人向けまたは公共クラウドに接続された携帯電話上のアプリケーションを実行する携帯電話またはメーター(meter)に接続されたウェアラブル装置にユーザインタフェースが関連付けられてもよい）。装置のユーザインタフェース２９２０は、Bluetooth（登録商標）、ZigBeeまたは他の無線プロトコルを利用する無線接続または有線接続を有してもよい。
【００９７】
図３０を参照すると、上述の態様で収集されたユーザインタフェース１１２０内に蓄積された様々なデータが、より高いレベルの分析のために記憶され利用される態様が示される。上述のデータを収集するための様々な装置３００２は、プライベートネットワーククラウド３００４または公共クラウド３００６を介して通信可能であってもよい。プライベートクラウド３００４と通信する時には、装置３００２は単に、特定のユーザ装置に関連付けられたユーザの分析に関して用いられるそのユーザ装置に関連付けられた情報を記憶する。このように、ユーザ個人が、自身の糖尿病を監視し維持するために、自身の現在のグルコース濃度に関して情報を監視し記憶することができる。
【００９８】
代替的に、情報が公共クラウド３００６内の複数の装置３００２から集められる時には、この情報は、個々の装置３００２から公共クラウド３００６に直接提供されてもよいし、関連付けられたネットワーク装置３００２のプライベートクラウド３００４を通って提供されてもよい。公共クラウド３００６大規模データベース内のこの情報の利用は、個々の装置３００２それぞれから処理された情報に関連付けられた様々な健康関連問題の大規模分析を可能にするために、公共クラウド３００６に関連付けられたサーバ３００８内に確立されてもよい。この情報は公共の健康問題を分析するために用いられてもよい。
【００９９】
このように、ユーザインタフェース１１２０は、濃度情報２９０４を決定するためのアルゴリズム２９０２を含むことに加え、収集した情報を、図３０に関して説明したような公共クラウドまたはプライベートクラウド上で無線で伝送可能とする無線インタフェース２９０６を含む。代替的に、ユーザインタフェースは、収集した情報を、遠隔地に無線で伝送されるのではなく、ローカルで記憶できるようにするストレージデータベース２９０８を備えてもよい。
【０１００】
図３１を参照すると、グルコースサンプルを通して照射される光ビームの光子の軌道角運動量を用いてグルコースの濃度を測定するための特定の装置のブロック図の特定の例が示されている。このプロセスは、図２５に関して説明したような非線形結晶を用いて、螺旋光ビームを伴う２次高調波を生成する。放射モジュール２４０２は、ＯＡＭ生成モジュール３１０４に提供される平面電磁波を生成する。ＯＡＭ生成モジュール３１０４は、電磁渦を有する波を生成するためのホログラムを用いて、軌道角運動量が与えられた光波を生成する。血液のサンプル内のグルコース濃度を検出するために、ＯＡＭねじれ波が、研究中のサンプル３１０６に当てられる。回転したシグネチャが、図２７〜２８に関して上述した態様でサンプル３１０６を出射し、整合モジュール３１０８に提供される。整合モジュール３１０８は、観測された濃度がグルコースのシグネチャの軌道運動量から計算可能となるように、軌道角運動量を増幅する。これらの増幅された信号は、検出モジュール３１１０に提供される。検出モジュール３１１０は、ビームｗ（ｚ）の半径を測定するか、または、光ビームを介してサンプルに提供される画像の回転を測定する。検出された情報は、サンプルに関する濃度情報の表示のためのユーザ電話機または読み取りメーター(reading meter)への物質の供給を可能にするために、有線接続されたセンサインタフェースまたは無線BluetoothまたはZigBee接続を含むユーザインタフェースに提供される。
【０１０１】
このようにして、本明細書に記載される様々な種類の物質の濃度が、研究中のサンプルの軌道角運動量シグネチャを利用して決定可能であり、サンプル内のこれらの物質またはそれらの濃度の検出は上述のように決定される。
【０１０２】
軌道角運動量を用いてサンプル物質内の濃度測定を行うこのシステムおよび方法は、物質濃度を検出するための非侵襲性の態様を提供するということが、本開示の恩恵を有する当業者によって理解される。図面および本明細書の詳細な説明は、限定的態様ではなく例示と見なされるべきであり、開示された特定の形態および例に限定するようには意図されないということが理解されるべきである。反対に、添付の特許請求の範囲の精神および範囲から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲によって定義される通りの、当業者に明白な、任意のさらなる修正、変更、再構成、置換、代替、設計選択、および実施形態が含まれる。このように、添付の特許請求の範囲は、そのようなさらなる修正、変更、再構成、置換、代替、設計選択、および実施形態のすべてを包含すると解釈されることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１４ｃ】
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【図１４ｄ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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