JP2019510202A - System and method for multi-parameter spectroscopy - Google Patents
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Abstract
試料中の物質を検出する装置は、少なくとも1つの光ビームを試料に通して指向させる発光ユニットを備える。複数のユニットが試料を通過した光ビームを受信し、受信した光ビームに基づく試料の分光分析を行う。複数のユニットの各々が、試料に関して異なるパラメータを分析し、分析に関して別個の出力信号を供給する。プロセッサが、供給された別個の出力信号の各々に関して物質を検出する。An apparatus for detecting a substance in a sample includes a light emitting unit that directs at least one light beam through the sample. The plurality of units receive the light beam that has passed through the sample, and perform spectroscopic analysis of the sample based on the received light beam. Each of the plurality of units analyzes different parameters for the sample and provides separate output signals for the analysis. A processor detects the substance for each supplied separate output signal.
Description
[関連出願の相互参照]
本願は、「MULTI-PARAMETER SPECTROSCOPY」と題する2016年1月13日付で出願された米国仮出願第62/278,186号(代理人整理番号NXGN−32968)、「RAMAN SPECTROSCOPY WITH ORBITAL ANGULAR MOMENTUM」と題する2016年4月14日付で出願された米国仮出願第62/322,507号(代理人整理番号NXGN−33094)、「INCE-GAUSSIAN SPECTROSCOPY」と題する米国仮出願第62/365,486号(代理人整理番号NXGN−33217)、及び「DISTINCT SIGNATURES FOR CONCENTRATION MEASUREMENTS」と題する2014年11月19日付で出願された米国仮出願第62/081,846号(代理人整理番号NXGN−32424)の利益を主張し、これらの出願の全体が参照により本明細書に援用される。
[Cross-reference of related applications]
This application is US Provisional Application No. 62 / 278,186 (Attorney Docket No. NXGN-32968) filed on January 13, 2016 entitled “MULTI-PARAMETER SPECTROSCOPY”, “RAMAN SPECTROSCOPY WITH ORBITAL ANGULAR MOMENTUM” US Provisional Application No. 62 / 322,507 filed on April 14, 2016 (Attorney Docket No. NXGN-33094), US Provisional Application No. 62 / 365,486 (INCE-GAUSSIAN SPECTROSCOPY) Benefits of Attorney Docket Number NXGN-33217) and US Provisional Application No. 62 / 081,846 (Attorney Docket Number NXGN-32424) filed on November 19, 2014 entitled "DISTINCT SIGNATURES FOR CONCENTRATION MEASUREMENTS" The entirety of these applications are hereby incorporated by reference.
本願は、「SYSTEM AND METHOD FOR MAKING CONCENTRATION MEASUREMENTS WITHIN A SAMPLE MATERIAL USING ORBITAL ANGULAR MOMENTUM」と題する、2014年7月24日付で出願された米国特許出願第14/339,836号(米国特許出願公開第2015−0260650号として2015年9月17日に公開。代理人整理番号NXGN−32196)の一部継続出願でもある。本願は、「SYSTEM AND METHOD FOR EARLY DETECTION OF ALZHEIMERS BY DETECTING AMYLOID-BETA USING ORBITAL ANGULAR MOMENTUM」と題する、2015年10月5日付で出願された米国特許出願第14/875,507号(代理人整理番号NXGN−32776)の一部継続出願でもある。米国特許出願第14/339,836号及び同第14/875,507号、並びに米国特許出願公開第2015−0260650号は、その全体が参照により本明細書に援用される。 This application is a US patent application No. 14 / 339,836 filed July 24, 2014 entitled “SYSTEM AND METHOD FOR MAKING CONCENTRATION MEASUREMENTS WITHIN A SAMPLE MATERIAL USING ORBITAL ANGULAR MOMENTUM”. Published on September 17, 2015 as No. 0260650, and is a continuation-in-part of Proxy Number NXGN-32196). This application is US patent application Ser. No. 14 / 875,507 filed Oct. 5, 2015 entitled “SYSTEM AND METHOD FOR EARLY DETECTION OF ALZHEIMERS BY DETECTING AMYLOID-BETA USING ORBITAL ANGULAR MOMENTUM”. NXGN-32776). U.S. Patent Application Nos. 14 / 339,836 and 14 / 875,507, and U.S. Patent Application Publication No. 2015-0260650 are hereby incorporated by reference in their entirety.
[技術分野]
本発明は、試料中の物質の検出、より具体的には多重パラメータ分光法に基づく試料中の物質の検出に関する。
[Technical field]
The present invention relates to the detection of substances in a sample, more specifically to the detection of substances in a sample based on multi-parameter spectroscopy.
[背景]
有機物質及び非有機物質の濃度測定及びその存在の検出が多数の用途で高い関心を集めている。一例では、ヒト組織内の物質の検出が個体の健康管理のますます重要な側面となりつつある。ヒト組織内の生物因子及び代謝因子をモニタリングする非侵襲的測定法の開発は、様々なヒト疾患の診断療法の重要な側面であり、適当な疾患管理において重要な役割を果たす可能性がある。ヒト組織内の生物因子及び代謝因子をモニタリングする非侵襲的測定法の開発は、様々なヒト疾患の診断療法の重要な側面であり、適当な疾患管理において重要な役割を果たす可能性がある。アルツハイマー病に関係がある、かかる物質の1つはアミロイド−βである。このため、アルツハイマー病の初期段階の検出をより良好に改善するために、改善されたアミロイド−β検出方式が必要とされる。
[background]
Measuring the concentration of organic and non-organic substances and detecting their presence is of great interest in many applications. In one example, the detection of substances in human tissue is becoming an increasingly important aspect of individual health care. The development of non-invasive assays that monitor biological and metabolic factors in human tissues is an important aspect of diagnostic therapy for various human diseases and may play an important role in appropriate disease management. The development of non-invasive assays that monitor biological and metabolic factors in human tissues is an important aspect of diagnostic therapy for various human diseases and may play an important role in appropriate disease management. One such substance that has been implicated in Alzheimer's disease is amyloid-β. Thus, an improved amyloid-β detection scheme is needed to better improve early stage detection of Alzheimer's disease.
ヒト組織内でモニタリングされ得る生物因子の別の例は、グルコースである。グルコース(C6H12O6)は単糖であり、最も重要な炭水化物栄養源の1つである。グルコースは、ほぼ全ての生物学的過程に必須であり、ATPアデノシン三リン酸及び他の必須細胞成分の産生に必要とされる。ヒト血液中のグルコース濃度の正常範囲は、直前の食事の時間、身体的許容度及び他の要因に応じて70mg/dl〜160mg/dlである。自由循環グルコース分子は、膵臓からのインスリンの放出を刺激する。インスリンは、通常はグルコース非透過性の細胞膜内の2つの特異的受容体に結合することによって、グルコース分子が細胞壁を透過するのを助ける。 Another example of a biological factor that can be monitored in human tissue is glucose. Glucose (C 6 H 12 O 6 ) is a monosaccharide and is one of the most important carbohydrate nutrient sources. Glucose is essential for almost all biological processes and is required for the production of ATP adenosine triphosphate and other essential cellular components. The normal range of glucose concentration in human blood is 70 mg / dl to 160 mg / dl depending on the time of the last meal, physical tolerance and other factors. Free circulating glucose molecules stimulate the release of insulin from the pancreas. Insulin helps glucose molecules penetrate the cell wall by binding to two specific receptors within the normally non-glucose permeable cell membrane.
グルコース濃度に関する問題と関連する疾患の1つは糖尿病である。糖尿病は、インスリン産生の減少、又は、インスリンを利用し細胞膜を介してグルコースを輸送する能力の低下に起因する障害である。結果として、疾患時に潜在的に危険な高濃度のグルコースが血液中に蓄積する可能性がある(高血糖)。したがって、起こり得る重度の生理的合併症を防ぐには、血中グルコース濃度を正常範囲内に維持することが非常に重要である。 One disease associated with problems with glucose concentration is diabetes. Diabetes is a disorder resulting from a decrease in insulin production or a reduced ability to utilize insulin and transport glucose through the cell membrane. As a result, high concentrations of glucose that are potentially dangerous during disease can accumulate in the blood (hyperglycemia). Therefore, maintaining blood glucose levels within the normal range is very important to prevent possible severe physiological complications.
生理的グルコースモニタリングの重要な役割の1つは、真性糖尿病(又は単に糖尿病)等の幾つかの代謝性疾患の診断及び管理である。多数の侵襲的及び非侵襲的な技法がグルコースのモニタリングに現在用いられている。既存の非侵襲的グルコースモニタリング法に関する問題は、臨床的に許容可能なプロセスが未だ決定されていないことである。血液分析による標準技法は現在、個別の指穿刺及び指から採取した血液試料のその後の分析を含む。ここ数十年では、非侵襲的な血中グルコースのモニタリングが、医用生体工学領域での調査のますます重要な話題となっている。特に、光学的アプローチの導入がこの分野において幾らかの進歩をもたらした。光学における進歩により、光学的イメージング技術及び非侵襲的イメージングシステムの開発に関心が集中している。癌の診断法及び治療におけるモニタリングへの光学的方法の適用も、光学的検出法の簡便さ及び低いリスクのために成長分野である。医療分野に加えて、様々な他の環境における様々なタイプの物質の検出が容易に明らかとなり得る。 One important role of physiological glucose monitoring is the diagnosis and management of several metabolic diseases, such as diabetes mellitus (or simply diabetes). A number of invasive and non-invasive techniques are currently used for glucose monitoring. A problem with existing non-invasive glucose monitoring methods is that a clinically acceptable process has not yet been determined. Standard techniques with blood analysis currently include individual finger punctures and subsequent analysis of blood samples taken from the fingers. In recent decades, non-invasive blood glucose monitoring has become an increasingly important topic of investigation in the biomedical field. In particular, the introduction of optical approaches has made some progress in this field. Advances in optics have focused attention on the development of optical imaging techniques and non-invasive imaging systems. Application of optical methods to monitoring in cancer diagnostics and treatment is also a growing area because of the simplicity and low risk of optical detection methods. In addition to the medical field, detection of various types of substances in various other environments can be readily apparent.
生体組織中の種々の組織代謝産物及びグルコースを検知する多くの光学的技法が、過去50年にわたって開発されている。これらの方法は、蛍光分光法、近赤外分光法及び中赤外分光法、ラマン分光法、光音響法、光干渉断層撮影、並びに他の技法に基づくものであった。しかしながら、試行されたこれらの技法のいずれも、完全に十分であるとは証明されなかった。 Many optical techniques for detecting various tissue metabolites and glucose in living tissue have been developed over the past 50 years. These methods were based on fluorescence spectroscopy, near infrared and mid-infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, photoacoustic methods, optical coherence tomography, and other techniques. However, none of these attempted techniques has proven to be completely satisfactory.
光学的物質濃度検知に適した別の有機成分はヒト皮膚である。ヒト皮膚の防御機構はカロテノイド、ビタミン及び酵素等の抗酸化物質の作用に基づく。βカロテン及びリコピンは、人体のカロテノイドの70%超を占める。βカロテン及びリコピンの局所又は全身適用は、人体の防御系を改善する一般戦略である。この治療の評価及び最適化には、ヒト組織(特に、環境に対する障壁であるヒト皮膚)におけるb−カロテン及びリコピンの濃度の測定が必要とされる。 Another organic component suitable for optical substance concentration detection is human skin. The defense mechanism of human skin is based on the action of antioxidants such as carotenoids, vitamins and enzymes. β-carotene and lycopene account for more than 70% of human carotenoids. Local or systemic application of β-carotene and lycopene is a general strategy to improve the human defense system. Evaluation and optimization of this treatment requires measurement of b-carotene and lycopene concentrations in human tissues, particularly human skin that is a barrier to the environment.
このため、人体内又は他のタイプの試料における様々な物質の濃度及び存在の検出を可能にする改善された非侵襲的技法が、医療分野において多数の用途を有し得る。 Thus, improved non-invasive techniques that allow the detection of the concentration and presence of various substances in the human body or other types of samples may have numerous applications in the medical field.
[サマリー]
本発明は、本明細書に開示及び記載されるように、その一態様では、少なくとも1つの光ビームを試料に通して指向させる発光ユニットを備える、試料中の物質を検出する装置を含む。複数の分光ユニットが試料を通過した光ビームを受信すると共に、受信した光ビームに基づく試料の分光分析を行う。複数の分光ユニットの各々が試料に関して異なるパラメータを分析し、分析に関して別個の出力信号を供給する。プロセッサが、供給された別個の出力信号の各々に関して物質を検出する。
[summary]
The present invention includes, in one aspect thereof, an apparatus for detecting a substance in a sample comprising a light emitting unit that directs at least one light beam through the sample, as disclosed and described herein. The plurality of spectroscopic units receive the light beam that has passed through the sample, and perform spectroscopic analysis of the sample based on the received light beam. Each of the plurality of spectroscopic units analyzes different parameters for the sample and provides separate output signals for the analysis. A processor detects the substance for each supplied separate output signal.
より完全な理解のために、ここで以下の説明を添付の図面と併せて参照する。 For a more complete understanding, reference is now made to the following description, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:
[詳細な説明]
ここで図面(同様の参照符号は、同様の要素を指定するために本明細書全体を通して使用される)を参照すると、軌道角運動量シグネチャを用いて物質を検出するシステム及び方法の様々な観点及び実施形態が説明及び記載され、他の考え得る実施形態が記載される。図は必ずしも正確な縮尺率で描かれている訳ではなく、説明のみを目的として図面が所々誇張及び/又は簡略化されている場合もある。以下の考え得る実施形態の例に基づく、多くの考え得る用途及び変形形態が当業者には理解される。
[Detailed description]
Referring now to the drawings, wherein like reference numerals are used throughout this specification to designate like elements, various aspects of systems and methods for detecting materials using orbital angular momentum signatures and Embodiments are described and described, and other possible embodiments are described. The figures are not necessarily drawn to scale, and the drawings may be exaggerated and / or simplified in some places for illustrative purposes only. Many possible uses and variations will be appreciated by those skilled in the art based on the following examples of possible embodiments.
ここで図面(より具体的には図1)を参照すると、試料を通過する信号に付与された固有軌道角運動量シグネチャに基づいて試料中の特定の物質の存在を検出する態様が示される。一連の平面波を有する光信号102が、軌道角運動量(OAM)信号を光信号102に適用するデバイス(例えば空間光変調器(SLM)104)に適用される。本実施形態は光信号102の使用を想定しているが、軌道角運動量を有する他のタイプの信号又は他の直交信号を代替的実施形態において利用してもよい。SLM104により、既知のOAMねじれを適用した出力信号106が生成される。OAMねじれは、出力信号106を試料108に適用する前のベースラインとなる既知の特性を有する。試料108は、キュベット等の収容容器に入れられた物質を含んでいても、又は患者の眼若しくは身体等の自然状態、若しくは天然の自然発生位置にある物質であってもよい。試料108は、対象の特定の物質又は要素が記載のシステムによって検出されることを単に示すものである。試料108を通過する際に、出力信号106に固有OAMシグネチャが適用され、OAM特徴的シグネチャ信号110として供給される。OAMビームは、キラル溶液と相互作用することで固有のトポロジー的展開(unique topological evolution)を示すことが観察された。OAMビームがキラル物質の試料を通過する際にキラル分子が固有OAMシグネチャを生じることが分かっているが、非キラル分子/材料を通過する信号からの固有OAMシグネチャの生成をもたらすこともできる。これらの固有のトポロジー的特徴を考えると、振幅測定及び位相測定の両方において特定のシグネチャを有する所与の溶液中の分子の存在を検出することができる。次いで、この特徴的シグネチャ信号110を、(例えばカメラ112を用いて)検査し、適用された固有信号特性を検出し、この固有シグネチャに基づいて試料中の物質を決定することができる。様々な分子の検出のための多重パラメータ分光法を、種々の産業(食品(食品腐敗の特定)、防衛及び国家安全保障のためのナノスケール材料の開発、化学産業、非侵襲的な解決策が不可欠な試験のための医薬品産業及び医療産業、感染、癌細胞、有機化合物及びその他多くの特定のための医療産業及び歯科産業を含むが、これらに限定されない)に適用することができる。固有シグネチャによって示される特定の物質は、一実施形態では、シグネチャと、特定の物質又は濃度に関連付けられた既知のシグネチャを含むシグネチャの固有データベースとの比較によって決定することができる。かかるデータベースを作成する態様は、当業者に既知であり得る。
Referring now to the drawings (more specifically, FIG. 1), an embodiment is shown for detecting the presence of a particular substance in a sample based on an intrinsic orbital angular momentum signature applied to a signal passing through the sample. An
ここで図2を参照すると、OAMジェネレータ220によりOAMねじれビーム222を生成することができる態様が示される。OAMジェネレータ210には、ねじれビーム222を生成する、任意の数のデバイス(振幅マスクを有するホログラム、位相マスクを有するホログラム、空間光変調器(SLM)又はデジタルライトプロセッサ(DLP)を含む)を使用することができる。OAMジェネレータ220は、一連の平面波を含む光ビーム221を(例えばレーザから)受信する。OAMジェネレータ220は、軌道角運動量をビーム222に適用する。ビーム222は、強度図223に示されるような単一OAMモードを含む。OAMねじれビーム222は、検出される物質を含む試料224を通過する。前述のように、試料224は容器内にあっても、又はその自然発生位置にあってもよい。試料224中の物質の存在は、強度図225内に新たなOAMモードレベルを生じる。ビーム222が試料224を通過すると、特定の濃度の特定の物質の検出に基づいて、出力ビーム226に3つの特徴的シグネチャが関連付けられる。これらのシグネチャには、強度パターンの離心率の変化228、強度パターンの重心におけるシフト又は平行移動230、及び楕円体強度パターン出力の3つの一般的方向(α、β、γ)での回転232が含まれる。これらの特徴的シグネチャ指標の各々が任意の構成で生じる可能性があり、各々の特徴的シグネチャが、特定の物質の存在及びこれらの検出物質の濃度の固有の指標をもたらす。これら3つの特徴的シグネチャは、測定対象の分子が検出された場合に現れ、これらのシグネチャが変化する態様が濃度レベルを表す。試料224を通過するビームからのヘリシティスペクトルの検出は、試料物質からのヘリカル波散乱(前方及び後方)を検出することを含む。
Referring now to FIG. 2, the manner in which the
グルコース、アミロイドβ及び他のキラル物質の計測への光のOAMの使用が上記の構成を用いて実証されている。OAMビームは、3cmの光路リンク内でキラル溶液と相互作用することで固有のトポロジー的展開を示すことが観察される。固有のトポロジー的展開は、非キラル物質によってももたらされ得るということを理解されたい。キラル溶液(アミロイド−β、グルコース等)により、軌道角運動量(OAM)ビームがそれと相互作用した場合に固有のトポロジー的展開を示すことが観察されている。OAMは通例、自然散乱光子には保有されない。これにより、OAMが検出時に環境光散乱(ノイズ)を有しないことから、キラル分子のヘリシティを特定する際のねじれビームの使用がより正確なものとなる。このため、物質により付与された固有OAMシグネチャは、自然散乱光子中のOAMを搬送しない環境光散乱(ノイズ)によって干渉されず、検出がはるかに正確となる。これらの固有のトポロジー的特徴を考えると、所与の試料中のアミロイド−βの存在及び濃度を、振幅測定及び位相測定の両方において特定のシグネチャに基づいて検出することができる。分子キラリティは、空間反転における、又は反転と回転との組合せにおける、不一致と関連する構造的旋進性(structural handedness)を意味し、任意の適当な回転軸の欠如という通常の基準に相当する。或るものをその鏡映と同一にすることができない場合、そのものはキラルである。鏡像と重ね合わせることができないキラル分子は、鏡像異性体として知られる。従来、これは旋光の場合であっても円偏光に関係し、この現象の解釈には、平面偏光状態を、互いに逆の旋進性を有する円偏光の重ね合わせとして理解することが一般に必要とされる。円偏光については、左右の形状が固有のスピン角運動量の符号±h、更には関連の電磁場ベクトルによって表される軌跡のヘリシティを示す。この理由から、物質とのその相互作用は鏡像異性的に特異的である。 The use of optical OAM to measure glucose, amyloid β and other chiral substances has been demonstrated using the above configuration. It is observed that the OAM beam exhibits a unique topological evolution by interacting with the chiral solution in a 3 cm optical path link. It should be understood that inherent topological developments can also be brought about by non-chiral materials. It has been observed that chiral solutions (amyloid-β, glucose, etc.) exhibit an inherent topological evolution when an orbital angular momentum (OAM) beam interacts with it. OAM is typically not retained in naturally scattered photons. This makes the use of a torsion beam more accurate in identifying the helicity of chiral molecules since the OAM has no ambient light scattering (noise) upon detection. Thus, the unique OAM signature imparted by the material is not interfered by ambient light scattering (noise) that does not carry the OAM in the naturally scattered photons, making detection much more accurate. Given these unique topological features, the presence and concentration of amyloid-β in a given sample can be detected based on a specific signature in both amplitude and phase measurements. Molecular chirality refers to the structural handedness associated with discrepancies in spatial reversal or in a combination of reversal and rotation, and corresponds to the usual criterion of lack of any suitable axis of rotation. If something cannot be made identical to its reflection, it is chiral. Chiral molecules that are not superimposable with a mirror image are known as enantiomers. Conventionally, this is related to circularly polarized light even in the case of optical rotation, and the interpretation of this phenomenon generally requires understanding the state of plane polarization as a superposition of circularly polarized light having opposite rotational properties. Is done. For circularly polarized light, the left and right shapes indicate the inherent spin angular momentum sign ± h, and also the helicity of the trajectory represented by the associated electromagnetic field vector. For this reason, its interaction with the substance is enantiomerically specific.
分子の対称度又はキラリティを評価するために、連続対称性尺度(CSM)が用いられる。この値は、0〜100の範囲である。分子の対称性値が高いほど、分子の対称性の歪みが高くなり、分子がよりキラルとなる。測定は、キラル分子と最近接アキラル分子との最短距離に基づく。 A continuous symmetry scale (CSM) is used to assess the symmetry or chirality of a molecule. This value is in the range of 0-100. The higher the symmetry value of a molecule, the higher the symmetry distortion of the molecule and the more chiral the molecule. The measurement is based on the shortest distance between the chiral molecule and the nearest achiral molecule.
連続対称性尺度は、以下の方程式に従って得ることができる:
N:頂点の数
d:サイズ正規化係数
*スケールは0〜1(0〜100)である:
S(G)が大きいほど、G対称性からの偏差は高くなる
A continuous symmetry measure can be obtained according to the following equation:
* Scale is 0-1 (0-100):
The larger S (G), the higher the deviation from G symmetry.
連続的なキラリティ尺度であるSGは、以下に従って決定することができる:
アキラル分子:S(G)=0
The continuous chirality measure SG can be determined according to:
アキラル分子はS(G)=0の値を有する。分子がよりキラルであるほど、S(G)の値はより高くなる。 Achiral molecules have a value of S (G) = 0. The more chiral the molecule is, the higher the value of S (G).
軌道角運動量への関心が、光渦を設計する可能性の実現により相当に高まっている。ここで、ヘリシティが電磁場の波面(wave-front surface)に存在し、関連付けられる角運動量を「軌道」と呼ぶ。放射自体は一般に「ねじれた」又は「ヘリカルな」ビームと称される。殆どの場合、光渦はアキラル物質とのそれらの相互作用についてのみ研究されてきた。唯一の明らかな例外は、液晶に関する最近の幾つかの研究である。光応答が鏡像異性的に特異的な分子に関連付けられた任意のシステムを調べるために、かかるビームが用いられる場合、どのような新たな特徴(もしあるとすれば)が期待され得るかを評定することがタイムリーであり、興味深い。 Interest in orbital angular momentum has increased considerably due to the possibility of designing optical vortices. Here, helicity exists in the wave-front surface of the electromagnetic field, and the associated angular momentum is called the “orbit”. The radiation itself is commonly referred to as a “twisted” or “helical” beam. In most cases, optical vortices have been studied only for their interaction with achiral materials. The only obvious exception is some recent work on liquid crystals. Assess what new features (if any) can be expected when such a beam is used to investigate any system whose photoresponse is associated with an enantiomerically specific molecule It is timely and interesting to do.
初めに、光学的相互作用におけるキラリティの発現についての基準は、一般化形式で構成される。簡単にするために、固有の鏡像異性的特異性を有する物質を仮定する。この物質は、キラリティ(固有であり、光応答に関与する全ての分子成分(又は発色基)に共通したもの)を示す。この種のシステムについての結果を単一分子研究にも適用する。より長距離の平行移動/回転秩序もキラリティを発生させ得るが(例えばねじれネマティック結晶におけるように)、かかるメゾスコピックキラリティは、鏡像異性的に特異的な相互作用を直接生じることはできない。唯一の例外は、光波が、2つ以上の分子又は発色基(電子的に区別可能であり、非対称的に配向され、本質的にアキラルなもの)をプローブする場合である。 First, the criteria for the development of chirality in optical interactions is constructed in a generalized form. For simplicity, materials with inherent enantiomeric specificity are assumed. This material exhibits chirality (unique and common to all molecular components (or chromophores) involved in the light response). The results for this kind of system also apply to single molecule studies. Longer distance translation / rotation orders can also generate chirality (eg, as in twisted nematic crystals), but such mesoscopic chirality cannot directly generate enantiomerically specific interactions. The only exception is when the light wave probes two or more molecules or chromogenic groups (those that are electronically distinguishable, asymmetrically oriented and essentially achiral).
キラル光学的(Chiroptical)相互作用は、その電磁的起源によって区別することができる。通常の一重項電子基底状態の分子系については、光学的放射の入力に対応する電場及び磁場の空間的変動を伴う。この空間的な変動は、二対称に(di-symmetrically)配置された隣接する発色基グループとのカップリング(適用が限られるカークウッドの二基モデル)か、又はより一般に、対応する電場及び磁場と個々のグループとのカップリングかのいずれかにより、キラリティに関係すると理解することができる。キラリティはパリティの局所的な破壊を意味するため、電気的及び磁気的相互作用の干渉が可能となる。2グループの場合であっても、系の対となる電気的相互作用は、2つのグループが含む単一体の電気的及び磁気的相互作用に相当する。このため、以下では、発色基又は分子のいずれかを表すために、便宜上、「キラル中心」という用語が使用される。 Chiroptical interactions can be distinguished by their electromagnetic origin. Normal singlet electronic ground state molecular systems involve spatial variations in the electric and magnetic fields corresponding to the input of optical radiation. This spatial variation can be coupled with adjacent chromophore groups arranged di-symmetrically (Kirkwood's two-part model with limited application) or, more generally, the corresponding electric and magnetic fields. Can be understood to be related to chirality, either by coupling to individual groups. Chirality means local destruction of parity, allowing electrical and magnetic interaction interference. Even in the case of two groups, the paired electrical interactions correspond to the single body electrical and magnetic interactions that the two groups contain. For this reason, in the following the term “chiral center” is used for convenience to denote either a chromophoric group or a molecule.
レーザの出現と共に、波動方程式のガウスビーム解が一般的な工学用語となり、その拡張である2つの高次レーザモードであるデカルト対称性についてのエルミートガウス、円筒対称性についてのラゲールガウス等が実験室での光学操作に加わった。高次ラゲールガウスビームモードは、らせん又はヘリカル位相面を示す。このため、ビームの伝搬ベクトル又はアイコナール(したがってビームの運動量)は、スピン角運動量に加え、軌道角運動量、すなわち海軸(sea axis)の周りの揺動を含む。この現象は、渦度と称されることが多い。ラゲールガウスビームの表現は、円筒座標で与えられる:
ここで、w(x)はビームスポットサイズであり、q(c)は球波面及びスポットサイズの展開を含む複素ビームパラメータである。整数p及びmは、それぞれ径方向モード及び方位角モードである。exp(imθ)項は、らせん位相面を表す。 Here, w (x) is the beam spot size, and q (c) is a complex beam parameter including the development of the spherical wavefront and the spot size. The integers p and m are the radial mode and the azimuth mode, respectively. The exp (imθ) term represents a helical phase plane.
ここで図3を更に参照すると、システムと共に使用されるビームの一実施形態が示される。光ビーム300は、光ビーム300内の光子302のストリームからなる。各光子は、エネルギー
光学的実験において、挙動の良好な、規定の周波数の光ビームの発生源として、レーザが広く使用されている。光ビーム300を供給するためにレーザを使用することができる。任意の光ビーム300におけるエネルギー束は、光ビーム内の電場及び磁場のベクトル積から計算することができるポインティングベクトルによって与えられる。真空又は任意の等方性物質中では、ポインティングベクトルは波数ベクトルに平行であり、光ビームの波面に垂直である。通常のレーザ光では、図4に示されるように波面400は平行である。光子の波数ベクトル及び線形運動量は、z方向402の軸に沿って指向される。かかる光ビームの電界分布は、マ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一般的であるが、他の可能性も存在する。
In optical experiments, lasers are widely used as a source of a light beam having a predetermined frequency and good behavior. A laser can be used to provide the
例えば、l個の絡み合ったヘリカル面を有するビームも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することが困難であるが、それらの形状は、l=3のフジッリパスタからよく知られている。最も重要なことには、波面はポインティングベクトルと、図5の502に示されるように光ビーム軸伝搬方向の周りをらせん状に回る波数ベクトルとを有する。 For example, a beam having l entangled helical surfaces is also a solution to the wave equation. These complex beam structures are difficult to visualize, but their shapes are well known from l = 3 fusilli pasta. Most importantly, the wavefront has a pointing vector and a wave vector that spirals around the direction of propagation of the optical beam axis as shown at 502 in FIG.
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場合にゼロでない結果を有する。円偏光のスピン角運動量も同様に解釈することができる。円偏光した平面波面を有するビームは、軌道角運動量を有しないが、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値となる。ビームが直線偏光している場合、ポインティングベクトルに対する方位角成分、ひいてはスピン角運動量は存在しない。 The pointing vector has an azimuthal component on the wavefront and has a non-zero result when integrated over the beam cross section. The spin angular momentum of circularly polarized light can be interpreted similarly. A beam having a circularly polarized plane wavefront does not have orbital angular momentum but has a pointing vector azimuth component proportional to the radial intensity gradient. When this is integrated over the cross section of the light beam, a finite value is obtained. When the beam is linearly polarized, there is no azimuthal component to the pointing vector, and hence no spin angular momentum.
このため、光ビーム300内の各光子302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、光ビーム内の電場及び磁場の全て(特にビームの伝搬方向の電場及び磁場)が必要である。ビーム内の点については、運動量の方位角成分とz成分との比率は、l/krであると見出されている(ここで、l=ヘリシティ又は軌道角運動量;k=波数2π/λ;r=動径ベクトル)。光ビーム300内の各光子302の線形運動量は、
ここで図6及び図7を参照すると、平面波面及びヘリカル波面が示される。通常、平面波面602を有するレーザビームは、エルミート−ガウスモードで特徴付けられる。これらのモードは矩形対称性を有し、2つのモード指数m 604及びn 606によって表される。x方向にm個、y方向にn個のノードが存在する。まとめると、x方向及びy方向の組合せモードがHGmn 608と表示される。対照的に、図7に示すように、ヘリカル波面702を有するビームは、ラゲール−ガウスモード(指数I 703と、絡み合ったヘリックスの数704と、p(径方向ノードの数706)とによって表される)で最もよく特徴付けられる。ラゲール−ガウスモードは、LGmn 710と表示される。l≠0のとき、光ビーム300上の位相特異点は、軸強度において0となる。ヘリカル波面を有する光ビーム300が更に円偏光している場合、角運動量は軌道成分及びスピン成分を有し、光ビームの全角運動量は、1光子当たり
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な情報を埋め込むことができる。マクスウェル−ヘヴィサイド方程式は、以下のように表すことができる:
保存量及び電磁場は、系のエネルギーの保存及び系の線形運動量の保存によって表すことができる。時間対称性、すなわち系のエネルギーの保存は、以下の方程式に従うポインティングの定理を用いて表すことができる:
空間対称性、すなわち電磁ドップラーシフトを表す系の線形運動量の保存は、以下の方程式によって表すことができる:
系のエネルギー中心の保存は、以下の方程式によって表される:
同様に、方位角ドップラーシフトを生じる系の角運動量の保存は、以下の方程式によって表される:
自由空間における放射ビームについては、EM場角運動量Jemは、以下の2つの部分に分離することができる:
実数表示での各々の特異フーリエモードについて:
第1の部分はEMスピン角運動量Semであり、その古典的表示は波の偏光である。また、第2の部分はEM軌道角運動量Lemであり、その古典的表示は波のヘリシティである。概して、EM線形運動量Pemと、EM角運動量Jem=Lem+Semとの両方が、遠距離場まで放射される。 The first part is the EM spin angular momentum S em , whose classical representation is wave polarization. The second part is the EM orbital angular momentum Lem , and its classical representation is wave helicity. In general, both the EM linear momentum P em and the EM angular momentum J em = L em + S em are emitted to the far field.
ポインティング定理を用いることによって、信号の光渦度を以下の光学速度の方程式に従って決定することができる:
ここで図8及び図9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8)、において、並びに、ポインティングベクトルが伝搬方向の周りをらせん状に回るようにスピン及び軌道ベクトルが変化する状況(図9)において、信号及び信号の対応するポインティングベクトルが変動する態様が示される。 Referring now to FIGS. 8 and 9, in a plane wave situation where only the spin vector changes (FIG. 8), and the spin and orbital vectors change so that the pointing vector spirals around the propagation direction. In the situation (FIG. 9), the manner in which the signal and the corresponding pointing vector of the signal vary is shown.
図8に示される平面波の状況(平面波のスピンベクトルのみが変化する)では、伝達信号は3つの構成のうち1つをとることができる。スピンベクトルが同方向である場合、概して804に示されるように線形信号が供給される。804には線形信号を供給するためにx方向でのみ変化するスピンベクトルが示される。一方で、スピンベクトルをy方向で変化させ、804に示されるのと同様であるが、804に示される信号に対して垂直な向きに現れる線形信号を供給することもできることに留意されたい。804に示されるような直線偏光では、信号のベクトルは同方向であり、同じ大きさを有する。 In the situation of the plane wave shown in FIG. 8 (only the spin vector of the plane wave changes), the transfer signal can take one of three configurations. If the spin vectors are in the same direction, a linear signal is provided, generally as shown at 804. 804 shows a spin vector that changes only in the x direction to provide a linear signal. On the other hand, note that the spin vector can be varied in the y direction to provide a linear signal that is similar to that shown at 804 but appears in a direction perpendicular to the signal shown at 804. For linearly polarized light as shown at 804, the signal vectors are in the same direction and have the same magnitude.
806に示される円偏光においては、信号ベクトル812は互いに対して90度であるが、同じ大きさを有する。これにより信号が806に示されるように伝搬し、図8に示される円偏光814をもたらす。楕円偏光808においては、信号ベクトル816は同様に互いに対して90度であるが、異なる大きさを有する。これにより信号伝搬408に示されるような楕円偏光818がもたらされる。図8に示される平面波については、ポインティングベクトルは、図に示される様々な信号構成で一定方向に維持される。
In the circular polarization shown at 806, the
図9の状況は、固有軌道角運動量を信号に適用した場合を示す。これが生じる場合、ポインティングベクトルS 910は、信号の全体的な伝搬方向912の周りをらせん状に回る。ポインティングベクトル910は、3つの軸方向成分Sφ、Sp及びSzを有し、これらが変動することで、ベクトルが信号の伝搬方向912の周りをらせん状に回る。ポインティングベクトル910を含む様々なベクトルの値を変化させることで、ポインティングベクトルのらせんを変動させることができ、本明細書でより詳しく記載されるように、信号を同じ波長又は周波数で伝達することが可能となる。付加的に、ポインティングベクトル910によって示される軌道角運動量の値を測定し、走査機構によって処理される特定の物質の存在及び特定の物質に対応する濃度を決定することができる。
The situation in FIG. 9 shows the case where the natural orbital angular momentum is applied to the signal. When this occurs, the
図10A〜図10Cには、異なるヘリシティ(すなわち、適用される軌道角運動量)を有する信号の差異が示される。様々なヘリシティが、ビームを通過させた試料中の様々な物質及び物質の濃度を示す。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、特定の物質及び物質の濃度量を決定することができる。信号1002、1004及び1006に関連付けられたらせん状のポインティングベクトルの各々が、異なる形状の信号を供給する。信号1002は+1の軌道角運動量を有し、信号1004は+3の軌道角運動量を有し、信号1006は−4の軌道角運動量を有する。各信号は特徴的な軌道角運動量及び対応するポインティングベクトルを有し、信号が、検出される軌道角運動量に対応する特定の物質及び物質の濃度の指標となることが可能となる。これにより、物質の決定、及び様々なタイプの物質の濃度を、信号から決定することが可能となる。軌道角運動量は、別個に検出可能であり、試料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及び特定の物質の濃度の固有の指標をもたらすからである。
10A-10C show the difference in signals with different helicities (i.e. applied orbital angular momentum). Different helicities indicate different substances and concentrations of substances in the sample that are passed through the beam. By determining a specific orbital angular momentum signature associated with the signal, a specific substance and the amount of substance concentration can be determined. Each of the spiral pointing vectors associated with
図11Aは、様々な固有モードについてのポインティングベクトルの伝搬を示す。リング1120の各々が、異なる軌道角運動量を表す異なる固有モード又はねじれを表す。異なる軌道角運動量の各々が、特定の物質及び特定の物質の特定の濃度に関連付けられる。軌道角運動量の検出が、装置により検出される関連の物質の存在及び物質の濃度の指標をもたらす。リング1120の各々が、モニタリングされる異なる物質及び/又は選択された物質の濃度を表す。固有モードの各々が、異なる物質及び物質の濃度を示すリングを生成するポインティングベクトル1122を有する。
FIG. 11A shows pointing vector propagation for various eigenmodes. Each of the
トポロジカルチャージを、直線偏光又は円偏光のいずれかの周波数に対して多重化することができる。直線偏光の場合、トポロジカルチャージを垂直偏光及び水平偏光で多重化する。円偏光の場合、トポロジカルチャージを左円偏光及び右円偏光で多重化する。トポロジカルチャージはヘリシティ指数「I」の別名、又は信号に適用されるねじれ若しくはOAMの量である。ヘリシティ指数は、正であっても負であってもよい。 The topological charge can be multiplexed for either linearly or circularly polarized frequencies. In the case of linear polarization, the topological charge is multiplexed with vertical and horizontal polarization. In the case of circularly polarized light, the topological charge is multiplexed with left circularly polarized light and right circularly polarized light. Topological charge is another name for helicity index “I” or the amount of twist or OAM applied to the signal. The helicity index may be positive or negative.
トポロジカルチャージlは、図11Bに示すように、らせん位相板(SPP)(特定の屈折率を有する適切な材料を使用したもの)と、新たな材料から作り出されるホログラムを機械工作又は位相マスクする能力とを用いて生じさせることができる。らせん位相板は、RF平面波(l=0)を特定のヘリシティのねじれ波(すなわちl=+1)に変換することができる。 Topological charge l is a spiral phase plate (SPP) (using an appropriate material with a specific index of refraction) and the ability to machine or phase mask holograms created from the new material, as shown in FIG. 11B. And can be generated using The helical phase plate can convert an RF plane wave (l = 0) into a specific helicity torsional wave (ie, l = + 1).
ここで図12を参照すると、本明細書で上記に説明される原理に従い、装置によって検出される軌道角運動量に応じた物質の存在の検出及び様々な物質の濃度測定をもたらす装置のブロック図が示される。エミッタ1202は、一連の平面波を含む波エネルギー1204を伝達する。エミッタ1202は、図7に関して前述したもののような一連の平面波を供給することができる。軌道角運動量生成回路構成1206は、既知の態様で波1208に適用される軌道角運動量を有する一連の波を生成する。軌道角運動量生成回路構成1206は、本明細書で下記により詳しく説明されるように、ホログラム又は他の何らかのタイプの軌道角運動量生成プロセスを利用することができる。OAM生成回路構成1206は、空間光変調器(SLM)、振幅マスク又は位相マスクを通して平面波を伝達することで生成することができる。軌道角運動量ねじれ波1208が試験対象の試料物質1210に適用される。試料物質1210は物質を含有し、物質の存在及び濃度が本明細書に記載のプロセスに従い検出装置によって決定される。試料物質1210は容器内にあってもよいし、その天然の自然発生位置(個体の身体等)にあってもよい。
Referring now to FIG. 12, a block diagram of an apparatus that provides for the detection of the presence of a substance and the measurement of the concentration of various substances in accordance with the orbital angular momentum detected by the apparatus in accordance with the principles described hereinabove. Indicated.
試料物質1210からの一連の出力波1212は試料から出射し、試料物質1210中の物質及び特定の研究対象物質の濃度の結果として、特定の軌道角運動量が付与される。出力波1212は、特定の研究対象物質によって生成される特定の軌道角運動量を増幅するマッピングアパーチャを備える整合モジュール1214に適用される。整合モジュール1214は、装置によって検出される特定の物質及び物質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1216が検出器1218に供給される。検出器1218は、試料中の物質及び物質の濃度に関するOAM波を検出し、この情報をユーザインタフェース1220に提供する。検出器1218は、試料を通過するビームから特徴的なトポロジー的特徴を検出するためにカメラを利用することができる。ユーザインタフェース1220は情報を解釈し、関連した物質のタイプ及び濃度の指標を個人又は記録デバイスに提供する。
A series of
ここで図13を参照すると、エミッタ1202がより具体的に示される。エミッタ1202は、多数のタイプのエネルギー波1204をOAM生成モジュール1206へと放出することができる。エミッタ1202は、光波1300、電磁波1302、音波1304又は任意の他のタイプの粒子波1306を放出してもよい。放出波1204は、軌道角運動量が適用されていない図4に示されるもののような平面波であり、様々なタイプの発光デバイスから生じさせることができ、情報が含まれていてもよい。一実施形態では、発光デバイスはレーザを備えていてもよい。平面波は、ねじれ又はヘリシティが適用さ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、波の伝搬方向と完全に一致している。
Referring now to FIG. 13, the
OAM生成モジュール1206は、入射する平面波1204を処理して、エミッタ1202から供給された平面波1204に既知の軌道角運動量を付与する。OAM生成モジュール1206は、ねじれ若しくはヘリカル電磁波、光波、音波又は他のタイプの粒子波をエミッタ1202の平面波から生成する。ヘリカル波1208は、図14に示すように、波の伝搬方向とは整合しないが、伝搬方向の周りを進行する。OAM生成モジュール1206は、一実施形態では、図14に示されるように固定軌道角運動量ジェネレータ1402を備えていてもよい。固定軌道角運動量ジェネレータ1402は、平面波1204をエミッタ1202から受信し、固定軌道角運動量が適用された出力波1404を生成する。
The
固定軌道角運動量ジェネレータ1402は、一実施形態では、OAMねじれ波1404を生成するために、固定軌道角運動量を平面波1204に適用するホログラフィ画像を含んでいてもよい。軌道角運動量ジェネレータ1402に適用される光信号に対して所望の軌道角運動量ねじれを生成するために、様々なタイプのホログラフィ画像を生成することができる。これらのホログラフィ画像の様々な例が図15A〜図15Dに示される。一実施形態では、軌道角運動量生成回路構成1206によってエミッタ1202から発信される平面波信号の変換が、ホログラフィ画像を用いて達成され得る。
Fixed orbital
市販の殆どのレーザは、平面波面と、ガウス関数によって表される横方向の強度とを有するHG00(エルミート−ガウス)モード1602(図16)を放出する。HG00エルミート−ガウスモード1602をラゲール−ガウスモード1604へと首尾よく変換するために多数の方法が用いられているが、ホログラムの使用が最も簡単に理解される。
Most commercially available lasers emit an HG 00 (Hermitian-Gaussian) mode 1602 (FIG. 16) having a plane wavefront and a lateral intensity represented by a Gaussian function. Although a number of methods have been used to successfully convert the HG 00 Hermite-
ラゲール−ガウスビームを説明する円筒対称解upl(r,φ,z)は、以下の方程式によって与えられる:
コンピュータ生成ホログラムは、その最も簡単な形式では、計算された干渉パターン(所望のビームが従来のレーザのビームと小さな角度で交わる場合に生じるもの)から生成される。この計算されたパターンは、高解像度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ビーム内に置かれると、結果として回折パターンが生じる。これの一次が所望の振幅及び位相分布を有する。これは、OAM生成モジュール1206を実装する一態様である。OAM生成モジュール内に使用されるホログラフィ画像の多数の例が、図15A〜図15Dに関して示される。
A computer generated hologram, in its simplest form, is generated from a calculated interference pattern (which occurs when the desired beam intersects a conventional laser beam at a small angle). This calculated pattern is transferred to a high resolution holographic film. When the developed hologram is placed in the original laser beam, a diffraction pattern results. This primary has the desired amplitude and phase distribution. This is one aspect of implementing the
ホログラム設計は、様々なレベルで洗練化される。黒色及び白色の領域のみを含み、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称される。バイナリホログラムにおいては、干渉する2つのビームの相対的な強度は何の役割も有さず、ホログラムの透過率は、計算された位相差がゼロとπとの間となる場合には0に設定され、位相差がπと2πとの間となる場合には単位量に設定される。バイナリホログラムの限界は、入射電力がほとんど一次回折スポットに達しないということである(回折格子のブレージングにより部分的に克服することはできるが)。モード純度が特に重要である場合には、回折ビームが必要な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に応じて変動する、より洗練されたホログラムを作り出すことも可能である。 Hologram design is refined at various levels. A hologram that contains only black and white regions and has no gray scale is called a binary hologram. In binary holograms, the relative intensities of the two interfering beams have no role, and the transmission of the hologram is set to zero when the calculated phase difference is between zero and π. When the phase difference is between π and 2π, the unit amount is set. The limitation of binary holograms is that the incident power hardly reaches the first-order diffraction spot (although it can be partially overcome by grating blazing). If modal purity is particularly important, it is possible to create more sophisticated holograms in which the contrast of the pattern varies with radius so that the diffracted beam has the required radial profile.
ホログラフィ画像1502を通して照射される平面波は、ホログラフィ画像1502を通過した後に所定の軌道角運動量シフトが適用される。OAMジェネレータ1202は、同じ画像が使用され、ホログラフィ画像を通過するビームに適用されるという意味において、固定である。ホログラフィ画像1502は変化しないため、同じ軌道角運動量が常にホログラフィ画像1502を通過するビームに適用される。軌道角運動量ジェネレータ1202において利用することができる様々なホログラフィ画像の多数の実施形態が図15A〜図15Dに示されるが、画像1502を通して照射されるビームにおいて必要な軌道角運動量を達成するために、任意のタイプのホログラフィ画像1502が利用できることを理解されたい。
A plane wave irradiated through the holographic image 1502 is subjected to a predetermined orbital angular momentum shift after passing through the holographic image 1502. The
図17に示されるホログラフィ画像の別の例では、多数の軌道角運動量(l)を発生させるために互いに格子状に組み合わされた2つの別個のホログラムを利用するホログラムが示される。図17の重ね合わされたホログラムは、l=1及びl=3の軌道角運動量を有し、互いに重ね合わされて複合渦格子1702を構成する。利用されるホログラムは、互いに格子状に組み合わされて、様々な数の軌道角運動量(l)(2つのホログラムが直線状(l=+1、l=0、l=−1)だけでなく、多くの変数をより容易に特定することが可能な正方形状にも)を発生させる態様で構築されていてもよい。このため、図17の例においては、軌道角運動量は上端に沿うと+4から+1、−2へと変動し、下端では+2から−1、−4へと変動する。同様に、左端に沿う軌道角運動量は+4から+3、+2へと変動し、右端では−2から−3、−4へと変動する。ホログラムの水平中心を横切って与えられる軌道角運動量は、+3から0、−3へと変動し、垂直軸に沿うと+1から0、−1へと変動する。このため、ビームが通過し得る格子の部分に応じて、様々な軌道角運動量を実現することができる。
In another example of a holographic image shown in FIG. 17, a hologram is shown that utilizes two separate holograms combined in a lattice fashion to generate multiple orbital angular momentums (l). The superimposed holograms of FIG. 17 have orbital angular momentum of l = 1 and l = 3, and are superimposed on each other to form a
ここで図18を参照すると、固定軌道角運動量ジェネレータに加えて、軌道角運動量生成回路構成1206は、調整可能軌道角運動量ジェネレータ回路構成1802を備えていてもよい。調整可能軌道角運動量ジェネレータ1802は、入力平面波1204を受信し、1つ以上の調整パラメータ1804を付加的に受信する。調整パラメータ1804は、調整可能OAMジェネレータ1802を調整して、選択された軌道角運動量を適用することで、OAMジェネレータ1802から出力される調整されたOAM波1806に選択された軌道角運動量値が適用される。
Referring now to FIG. 18, in addition to the fixed orbital angular momentum generator, the orbital angular momentum
これは、様々な方法で実現することができる。図22に示される一実施形態では、調整可能軌道角運動量ジェネレータ1802は、調整可能OAMジェネレータ1802内に複数のホログラム画像2202を含むことができる。調整パラメータ1804は、ホログラフィ画像2206の1つの選択を可能にし、セレクタ回路2204を介して所望のOAM波ねじれ出力信号1806を供給する。代替的には、図16に記載されるような格子状のホログラフィ画像を利用し、ビームを格子状の画像の一部に照射して、所望のOAM出力を供給することができる。調整可能OAMジェネレータ1802は、供給される入力パラメータ1804に応じて、出力される軌道角運動量波1806に特定の軌道角運動量を適用するように制御されるという利点を有する。これにより、様々な物質の存在及び濃度をモニタリングするか、又は代替的には、同じ物質の様々な濃度をモニタリングすることが可能となる。
This can be achieved in various ways. In one embodiment shown in FIG. 22, adjustable orbital
ここで図19を参照すると、調整可能軌道角運動量ジェネレータ1802のブロック図がより具体的に実装される。ジェネレータ1802は、供給される光信号に対して様々なタイプの軌道角運動量を与える複数のホログラフィ画像1902を含む。これらのホログラフィ画像1902は、入力調整パラメータ1804に応答するセレクタ回路構成1904に応じて選択される。選択されたフィルタ1906は、セレクタ制御装置1904に応じて選択されたホログラフィ画像を含み、入力平面波1204を受信して、調整された軌道角運動量波出力1206を供給する。この態様では、所望の軌道角運動量を有する信号をOAM生成回路構成1206から出力することができる。
Referring now to FIG. 19, a block diagram of the adjustable orbital
ここで図20を参照すると、異なる軌道角運動量を適用することにより、OAMジェネレータ1206の出力が信号を変動させることができる態様が示される。図20には、ポインティングベクトルがビーム軸に対してもはや平行でない(したがって軌道角運動量が適用された)ヘリカル位相面が示される。ビーム内の任意の固定半径内において、ポインティングベクトルは、軸の周りのらせん軌道に従う。行はlによって表示され、軌道角運動量量子数
ここで図21を参照すると、OAMジェネレータ1206により、モード変換器2104及びドーブプリズム2110を用いて、エミッタ1202から出力されたエルミート−ガウスビームを、軌道角運動量が付与されたラゲール−ガウスビームへと変換することができる代替的態様が示される。エルミート−ガウスモード平面波2102が、π/2モード変換器2104に供給される。π/2モード変換器2104は、ラゲール−ガウスモードのビーム2106を発生させる。ラゲール−ガウスモードビーム2106は、πモード変換器2108又はドーブプリズム2110(モードを逆転させ、逆ラゲール−ガウスモード信号2112を生じるもの)のいずれかに適用される。
Referring now to FIG. 21, the
ここで図22を参照すると、OAMジェネレータ1206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る。ホログラム2202は、ヘリカル波面と、1光子当たりlhの関連付けられた軌道角運動量とを有する光ビーム2204及び光ビーム2206を発生させることができる。適切なホログラム2202は、所望のビーム形状2204、2206と平面波2208との間の干渉パターンから計算又は生成することができる。得られるホログラム2202内のホログラフィックパターンは、回折格子に似ているが、ビーム軸にl叉の転位を有する。ホログラムに平面波2208を当てると、一次回折ビーム2204及び2206は所望のヘリカル波面を有して所望の一次回折ビーム表示2210をもたらす。
Referring now to FIG. 22, the manner in which the hologram in the
ここで図23を参照すると、試料1210がOAMジェネレータ1206から供給される入力OAMねじれ波1208を受信し、特定のOAMシグネチャ(試料1210中の物質又は特定のモニタリングされる物質の濃度に依存するもの)が関連付けられた出力OAM波1212を供給する態様が、より具体的に示される。試料1210は任意の研究対象の試料を含むことができ、固体形態、液体形態又は気体形態とすることができる。本明細書に記載のシステムを用いて検出することができる試料物質1210は、様々な異なる物質を含むことができる。先に述べたように、物質は、血液、水、油又は化学物質等の液体を含んでもよい。C−H、C−O、C−P、C−S又はC−N等の様々なタイプの炭素結合を検出に供することができる。システムにより炭素原子間の様々なタイプの結合(例えば単結合(メタン又はイソオクタン)、二重結合要素(ブタジエン及びベンゼン)、又はアセチレン等の三重結合炭素要素)を検出することができる。
Referring now to FIG. 23, a
試料1210は、有機化合物等の検出可能な要素(炭水化物、脂質(cylcerol及び脂肪酸)、核酸(C、H、O、N、P)(RNA及びDNA)、又はアミノNH2とカルボキシルCOOHとのポリマー等の様々なタイプのタンパク質、又はトリプトファン、チロシン及びフェニルアラニン等のアミノを含む)を含んでもよい。モノマー、異性体及びポリマー等の試料1210中の様々な鎖を検出することもできる。試料中のATP及びADP等の酵素を検出することができる。身体の腺によって産生又は放出される物質が試料中に存在し、検出されてもよい。これらの物質としては、外分泌腺により管/導管を介して放出される要素、血液試料中に直接放出される内分泌腺、又はホルモンが挙げられる。試料1210中の分泌物を検出することができる様々なタイプの腺としては、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。
試料1210は、メラノサイト及びケラチノサイト等の個体の血液及び尿中の様々なタイプの生化学的マーカを検出するために使用することもできる。試料1210は、防御物質を検出するために身体の様々な部分を含むことができる。例えば、皮膚に関しては、試料1210を使用してカロテノイド、ビタミン、酵素、b−カロテン及びリコピンを検出することができる。眼の色素に関しては、メラニン/ユーメラニン、ジヒドロキシインドール又はカルボキシル基を持つもの(carboxylic)を検出することができる。システムは、身体の生合成経路内の様々なタイプの物質(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、ウロポルフィリン及びヘマトポルフィリン等)を含む)を試料1210中で検出することもできる。試料1210は、プロピオン酸菌、アクネ等の、検出対象の様々な細菌を含有していてもよい。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。。試料1210を、血液試料1210におけるインスリン中のグルコースの検出に使用することもできる。試料1210は、検出されるアミロイド−βを含んでいてもよい。その場合には、試料中のアミロイド−βの検出を、早期アルツハイマー病の決定に用いることができる。より高レベルのアミロイド−βにより、アルツハイマー病の初期段階の指標を得ることができる。試料1210は、試料を通過する信号に固有OAMねじれを与える、検出することが望まれる任意の物質を含むことができる。
試料1210中で与えられるビーム内の軌道角運動量は、物質分子の回転に応じて、光から物質分子へと伝達され得る。ヘリカル波面を有する円偏光レーザビームが、ビーム軸の周りの光の角リング(angular ring)内に分子を捕捉すると、軌道角運動量及びスピン角運動量の両方の伝達を観察することができる。捕捉は、リングの強度勾配により機械的拘束なしに達成される光ピンセット(optical tweezing)の形態である。分子へと伝達された軌道角運動量により、図24の2402に示されるように、分子がビーム軸の周りを周回する。スピン角運動量により、2404に示されるように分子がそれ自体の軸上でスピンする。
The orbital angular momentum in the beam provided in the
試料1210からの出力OAM波1212には、入力OAM波1208に与えら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。出力OAM波1212における差異は、試料1210中に含有される物質及び試料1210中のこれらの物質の濃度に依存する。様々な濃度の様々な物質に、それぞれ固有の軌道角運動量が関連付けられる。このため、出力OAM波1212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、試料1210中に存在する物質に関する決定を行うことができ、試料中のこれらの物質の濃度も決定することができる。
An orbital angular momentum different from the orbital angular momentum given to the
ここで図25を参照すると、整合モジュール1214は、試料1210から、試料1210を通過する波に付与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1212を受信する。整合モジュール1214は、対象の特定の軌道角運動量を増幅し、増幅波(所望の対象の軌道角運動量1216が増幅されたもの)を供給する。整合モジュール1214は、特定の研究対象の物質又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アパーチャを備えていてもよい。整合モジュール1214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15A〜図15Dに関して記載したようなホログラフィックフィルタを備えていてもよい。整合モジュール1214は、システムにより検出が試みられる特定の対象の物質に基づいて確立される。整合モジュール1214は、図15A〜図15Dに示されるようなホログラムを用いる固定されたモジュールか、又は、OAM生成モジュール1206に関して論考したものと同様の態様の調整可能モジュールを含み得る。この場合、多数の異なる軌道角運動量を、試料1210中の様々な物質又は様々な物質の濃度を検出するために整合モジュールによって増幅することができる。整合モジュール1214の構成要素の他の例としては、試料1210から受信した波形における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、ナノマテリアル又はメタマテリアルの使用が挙げられる。
Referring now to FIG. 25, the
ここで図26を参照すると、整合モジュール1214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を使用するのではなく、より高軌道角運動量の光ビームを生成するために非線形結晶(non-linear crystal)を使用することができる。非線形結晶2602を使用することで、基本成分軌道角運動量ビーム2604を非線形結晶2602に適用することができる。非線形結晶2602は、2次調和信号2606を生じる。
Referring now to FIG. 26, the
ここで図27を参照すると、検出器1218(これに対して検出器1218が所望のOAM測定値2602を抽出することができるように、整合回路1214から増幅軌道角運動量波1216)がより具体的に示される。検出器1218は、増幅OAM波1216を受信し、試料1210中の特定の物質の存在及び特定の研究対象物質の濃度に起因する、放出波の軌道角運動量における観察可能な変化を検出及び測定する。検出器1218は、試料1210に適用された入力OAM波1208の状態からの、放出された増幅OAM波1216における観察可能な変化を測定することが可能である。抽出されたOAM測定値2702は、ユーザインタフェース1220に適用される。検出器618は、軌道角運動量信号616における軌道角運動量の軌道角運動量状態のプロファイルを決定する軌道角運動量検出器2104と、軌道角運動量の軌道角運動量状態の検出プロファイルに応じて試料中の物質を決定するプロセッサ2106とを備える。検出器1218により軌道角運動量における差異を検出することができる態様は、図28〜図30に関してより具体的に示される。
Referring now to FIG. 27, detector 1218 (in contrast, amplified orbital
図28に、光のビームを試料2802に通過させることによるスピン角偏光と軌道角偏光との影響の差異が示される。試料2802aでは、スピン角偏光が試料2802aを通過するビームに応じて変化する態様が示される。試料2802aを通過する特定のスピン角運動量2804を有する波の偏光は、位置2804から新たな位置2806へと回転する。回転は同一の偏光面内で生じる。同様に、試料2802bに関して示されるように、画像は、試料2802bを通過する前には、概して2808に示されるように現れる。画像が試料2802bを通過すると、画像は2810に示される位置から2812に示される回転した位置へと回転する。回転量は、試料2802中で検出される物質の存在及び検出される物質の濃度レベルに依存する。このため、図28の試料2802に関して見られるように、スピン角偏光及び軌道角運動量の両方が試料2802中の物質の存在及び濃度に基づいて変化する。軌道角運動量の変化により引き起こされる画像の回転量を測定することによって、特定の物質の存在及び濃度を決定することができる。
FIG. 28 shows a difference in influence between spin angle polarization and orbit angle polarization caused by passing a light beam through the sample 2802. In the
この全プロセスを図29により具体的に示すことができる。光源2902は、拡大光学部品2904を通して光ビームを照射する。拡大された光ビームは、軌道角運動量をビームに付与する、メタラブ生成ホログラム(metalab generated hologram)2906に適用される。ホログラム2906からのねじれビームは、特定の長さLを有する試料2908を通して照射される。前述のように、試料2908は容器内にあっても、又はその自然発生状態であってもよい。これにより、ねじれビームが試料2908の出力側で生成し、様々な軌道角運動量2910が関連付けられた多数の検出可能な波が生じる。試料2908に適用される光ビームに関連付けられた画像2912は、試料2908中の物質の存在及び濃度に応じて角度φだけ回転する。画像2912の回転φは、軌道角運動量の各々の値−l又は+lで異なる。画像の回転の変化Δφは、以下の方程式に従って説明することができる:
このため、試料の長さLが既知であり、本明細書に記載のプロセスを用いて軌道角運動量を決定することができるため、これら2つの情報により、与えられる試料中の物質の濃度を計算することが可能となり得る。 For this reason, the sample length L is known and the orbital angular momentum can be determined using the process described herein, so the concentration of the substance in the given sample is calculated from these two pieces of information. Can be possible.
上記の方程式を、図30により具体的に示されるユーザインタフェースにおいて利用することができる。ユーザインタフェース1220により、内部アルゴリズム3002を用いてOAM測定値3002を処理し、或る種のユーザディスプレイに表示することができる物質及び/又は濃度の情報3004を生成する。アルゴリズムは、一実施形態では、本明細書で上記に説明される方程式を利用し、試料の長さと、検出された軌道角運動量の変動と基づいて、物質及び/又は濃度を決定する。物質及び/又は濃度を計算するプロセスは実験室状況で行うことができる(情報が実験室又はユーザインタフェースに無線で伝達されてもよく、ローカルエリアネットワーク又はワイドエリアネットワークを介してパーソナルクラウド又はパブリック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又はメーターに接続されたウェアラブルデバイスにユーザインタフェースが関連付けられてもよい)。デバイスのユーザインタフェース3020は、Bluetooth、ZigBee又は他の無線プロトコルを利用する有線又は無線の接続のいずれかを有し得る。
The above equations can be utilized in the user interface specifically illustrated by FIG. The
ここで図31を参照すると、本明細書で上記に説明される態様で収集された、ユーザインタフェース1220内に蓄積された様々なデータが、より高レベルの分析のために保存され利用され得る態様が示される。本明細書で上記に説明されるようにデータを収集する様々なデバイス3102が、プライベートネットワーククラウド3104又はパブリッククラウド3106を介して通信することができる。プライベートクラウド3104により通信する場合、デバイス3102は単に、そのユーザデバイスに関連付けられたユーザの分析に関して使用される特定のユーザデバイスに関連付けられた情報を保管する。このため、個々のユーザは、自身の糖尿病をモニタリング及び管理するために、現在のグルコース濃度に関する情報をモニタリング及び保存することができる。
Referring now to FIG. 31, the manner in which various data collected in the
代替的には、情報をパブリッククラウド3106内の複数のデバイス3102からまとめる場合、この情報は個々のデバイス3102から直接、又は関連付けられたネットワークデバイス3102のプライベートクラウド3104を介してパブリッククラウド3106へと提供することができる。パブリッククラウド3106内のこの情報を利用することで、パブリッククラウド3106に関連付けられたサーバ3108内に大きなデータベースを確立することができ、個々のデバイス3102の各々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が可能となる。この情報は、公衆衛生問題の分析に使用することができる。
Alternatively, if information is aggregated from
このため、ユーザインタフェース1220は、物質及び/又は濃度の情報3004を決定するアルゴリズム3002を含むだけでなく、図31に関して記載したように、収集された情報をパブリッククラウド又はプライベートクラウドによって無線で伝達することを可能にする無線インタフェース3006を含む。代替的には、ユーザインタフェースは、収集された情報をリモート位置に無線で伝達するのではなく、ローカルに保存することを可能にするストレージデータベース3008を含んでいてもよい。
Thus, the
ここで図32を参照すると、グルコース試料を通して照射された光ビームの光子の軌道角運動量を用いたグルコースの存在及び濃度を測定する特定の装置のブロック図の特定の例が示される。本例はグルコースの検出に関するものであるが、この例が任意の物質の存在及び濃度の検出に適用可能であることを当業者であれば理解されよう。このプロセスでは、図25に関して記載されるような非線形結晶を用いたヘリカル光ビームにより2次高調波が生じる。発光モジュール2402は、OAM生成モジュール3204に供給される平面電磁波を生成する。OAM生成モジュール3204は、電磁渦を有する波を生じるために、ホログラムを用いて軌道角運動量が適用された光波を生成する。OAMねじれ波が研究対象の試料3206に適用され、試料中のグルコース及びグルコース濃度が検出される。回転したシグネチャが図28及び図29に関して前述した態様で試料3206を出射し、整合モジュール3208に供給される。整合モジュール3208が軌道角運動量を増幅することで、観察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。これらの増幅された信号は、検出モジュール3210(ビームの半径w(z)又は光ビームにより試料に与えられる画像の回転を測定する)に供給される。この検出された情報は、ユーザインタフェース(有線接続されたセンサインタフェース又は無線のBluetooth又はZigBee接続を含む)に与えられ、試料に関する濃度情報を表示する読み取りメーター又はユーザの電話へと物質を与えることが可能となる。このようにして、本明細書に記載の様々なタイプの物質の濃度を、研究対象の試料の軌道角運動量シグネチャを利用して決定することができ、試料中のこれらの物質又はそれらの濃度の検出が記載のように決定される。
Referring now to FIG. 32, a specific example of a block diagram of a specific apparatus for measuring the presence and concentration of glucose using photon orbital angular momentum of a light beam irradiated through a glucose sample is shown. Although this example relates to the detection of glucose, those skilled in the art will appreciate that this example is applicable to the detection of the presence and concentration of any substance. In this process, the second harmonic is generated by a helical light beam using a nonlinear crystal as described with respect to FIG. The
ラゲール多項式の直交性を条件として、軌道角運動量(OAM)を示すラゲールガウスビームが、通信アプリケーション(例えばmux−demux光学素子設計を用いるもの)における空間分割多重化(SDM)の基礎として決定されている。OAMビームは、量子情報科学においても関心が持たれている。OAMは、キラル及び非キラル分子の溶液のプロービングも可能にする。 A Laguerre Gaussian beam representing orbital angular momentum (OAM) is determined as the basis for spatial division multiplexing (SDM) in communication applications (eg, using mux-demux optical element designs), subject to the orthogonality of Laguerre polynomials. Yes. OAM beams are also of interest in quantum information science. OAM also allows probing of solutions of chiral and non-chiral molecules.
図33に、情報を伝達及び検出する更なる光学配置が示される。ねじれネマティックLCOS SLM 3302には、9μmのピッチ及び8ビットの分解能を有する1024×768アレイ(可視波長範囲(430nm〜650nm)をカバーし、VGA接続を介して容易にインタフェースされる)が実装される。プログラム可能なSLM 3302は、様々な設計のビームの生成を可能にする。シリコン上のねじれネマティック(TN)液晶(LCOS)SLMは、入力平面波102(図1)又はガウスビームの位相面を変調するホログラムの実現に特に有用である。SLMは、例えばホログラムを用いてビーム入力にインプリントされた任意の二次元位相シフトを定義するために、Matlab又はMathematica等の一般的なソフトウェアパッケージを用いてコンピュータアドレス可能である。
FIG. 33 shows a further optical arrangement for transmitting and detecting information. The twisted
コリメートされた入力ビームがディスプレイから反射され、位相遅延フォーク型回折格子又はホログラムによって適切に符号化される。フォーク型回折格子についての生成方程式は、以下のようにフーリエ級数として表すことができる:
ここで、r及びφは座標であり、lは渦度の次数であり、Dはフォーク極から離れた直線回折格子の周期である。位相回折格子のフーリエ成分の重みtmは、以下のように整数次のベッセル関数で表すことができる:
ここで、kαはフォーク型回折格子の位相にバイアスをかけ、kβはフォーク型回折格子の位相を変調する。通例、OAMビームの生成には、この級数の一部の項しか必要でない。例えば、以下の転写パターンにより奏功している:
ここで図33を再び参照すると、試験対象の試料3303を通過する信号の固有シグネチャを検出する光学配置が示される。試料3303は容器内にあっても、又はその自然発生状態であってもよい。高レベルでは、この機器はマッハツェンダー干渉計を備える。干渉計の一方のアームが参照ビーム3310を伝搬させる。参照ビーム3310が、テレスコープ3306を通って伝達される複数の平面波を含む光ビームを生成するレーザ3304によって生じる。テレスコープ3306からの平面波光ビームは、第1のビームスプリッタ3308を通過する。ビームスプリッタ3308が、ミラー3311から干渉回路3312へと反射される参照ビーム3310を生成する。参照ビーム3310は平面波であってもよく、レンズを追加して球波面を実現してもよい。このアームは、振幅のみの測定では遮断される。
Referring now again to FIG. 33, an optical arrangement for detecting the unique signature of the signal passing through the
第2のアームでは、ビームスプリッタ3308からの、分離された平面波ビームが、ビームコンバイナ3314で、空間光変調器3302から供給されるビームと結合される。空間光変調器3302はフォーク型ホログラム3316を含み光ビームを供給する。ビームコンバイナ3314により、SLM 3302からのフォーク型ホログラムビーム3318と、レーザ3304からの平面波ビーム3320とが結合され、既知のシグネチャのOAM又は他の直交関数ねじれビームが生成する。このビームは、一連のミラー3322により反射され、ピンホールアパーチャ3324に集束された後、既知の軌道角運動量を有するビームが試験対象の試料3303を通過する。
In the second arm, the separated plane wave beam from the
試料ねじれビーム3326は、信号コンバイナ3312において参照ビーム3310により干渉されている。この干渉画像を続いてカメラ又は記録デバイス3328によって記録することができる。これにより固有OAMシグネチャ3330が与えられ、試験対象の試料3303中の物質を検出するために分析することができる。明らかなように、固有OAMシグネチャ3330は、伝達ビームのシグネチャ3332とは異なる。シグネチャが変化する態様を、以下により詳しく説明する。
第2のアームでは、コリメータされた平面波入力ビーム3320を、LCOS SLM 3302を使用してOAM符号化ビームへと変換する。SLM 3302は、拡張ラップトップディスプレイ上のMatlabプログラムによって駆動され、任意のl又はρのフォーク型ホログラムが表示される。SLM 3302に続いて、ビームが3つのミラー3322により反射され、回折OAMモードの分離に十分な距離が与えられることで、ピンホール絞りアパーチャ3324により試験対象の試料3303を通過する所望のモードを選択することができる。
In the second arm, the collimated plane
幾つかの対象の物質を、図33のセットアップを使用してOAMシグネチャにより検出することができる。これらの物質の例としては、アセトン、イソプロピルアルコール、スクロース、アミロイド−β及びグルコース(水蒸気蒸留水中)が挙げられる。キャップにBK7カバーガラスを有する、分光グレードのソーダ石灰ガラスキュベット(1cm×2.5cm×3cm)又はより大きな特注の円形キュベットを利用して、試験対象の試料3303を収容することができる。
Several substances of interest can be detected by OAM signature using the setup of FIG. Examples of these substances include acetone, isopropyl alcohol, sucrose, amyloid-β and glucose (steam distilled water). A spectroscopic grade soda lime glass cuvette (1 cm × 2.5 cm × 3 cm) or a larger custom circular cuvette with a BK7 cover glass in the cap can be used to accommodate the
試験対象の試料3303は、平行移動ステージに載置される。平行移動ステージは、試料の移動又はビーム投影装置の移動のいずれかによるビーム経路の内外への迅速かつ反復可能な位置決めを可能にするように配置される。付加的に、試料サービスからの後方反射が慎重にモニタリングされ、偽の二次相互作用が生じないように絞りによって遮断される。試料を通る光電力は低い(25μW未満)ため、屈折率に依存する溶液中の温度勾配が回避される。
A
試験対象の試料の前後への波長板、可変リターダ及び偏光子の挿入により、特筆すべき結果は生じなかった。グルコースがこれらの波長で旋光応答を有することがよく知られているが、濃度と経路長との積は、偏光状態の著しいシフトを発生させるには小さすぎる。これにより、OAM及びグルコースが、分子の旋光性よりも顕著な応答であるということが示唆される。 Inserting waveplates, variable retarders and polarizers before and after the sample to be tested produced no significant results. It is well known that glucose has an optical rotation response at these wavelengths, but the product of concentration and path length is too small to cause a significant shift in polarization state. This suggests that OAM and glucose are more prominent responses than the optical rotation of the molecule.
機器の出力でのビームの画像3330は、高解像度DSLRカメラ3328を用いて記録される。高解像度DSLRカメラ3328は、ビーム伝搬方向に垂直に固定して取り付けられ、機器の振動又は移動を防ぐために遠隔起動される。楕円率の測定は、Photoshop及びMatlab(又は同様のタイプの画像を測定及び処理するソフトウェア若しくはアプリケーション)を用いて行われる。
A
この機器を用いて、試験対象の試料3303により入力ビームに付与されたOAM状態の変化を、強度及び位相の両方の点で定量化することができる。主にグルコース水溶液を用いて一連の実験を行った。15%原液を様々な所望の濃度に希釈した。糖の様々な異性体が平衡に達する前に互いに相互作用するため、新たな又は変化させた溶液には整定時間が必要となる。溶液を、一晩(およそ15時間。推奨される2時間よりもはるかに長い時間である)かけて、蒸発を防ぐためにキャップをしたキュベット内で平衡させた。
Using this instrument, changes in the OAM state imparted to the input beam by the
図1に関して前述したように、試料3303の通過により、固有OAMシグネチャが試料を通過する光ビームに付与される。この固有OAMシグネチャにより、試料中の物質の存在及び試料中の物質の濃度が特定される。この固有OAMシグネチャは、試料3303に入力されるOAM信号シグネチャとの多数の差異を有する。固有OAMシグネチャの特徴が図34〜図36に示される。図34には、OAM強度図の楕円率が試料3303を通過した後に変化する態様が示される。初期には、3402に示されるように、強度図は実質的に円形の形状(試料3303を通過する前の平面波OAMビームからのもの)を有する。試料3303を通過した後、強度図は、概して3404に示されるように、はるかに楕円的な形状を有する。この楕円の形状は、検出される物質及び検出される物質の濃度に依存して異なる固有の特性である。強度図の楕円率を検出することによって、試料中の特定の物質の存在を決定することができる。
As described above with respect to FIG. 1, the passage of the
図35に、試料3303を通過することによって変化し得るOAMシグネチャの更なる特性が示される。この場合、強度図の重心がシフトしている。位置3502は、試料3303を通過する前の強度図の重心の初期位置を示している。試料3303を通過した後、重心は位置3504へと移動し、これは試料を通過する前の元の位置からの顕著なシフトである。シフトは、様々な物質によって、それぞれ固有的に影響を受ける。このため、重心のシフトをOAM特徴的シグネチャ特性として用いることもでき、重心のシフトが特定の物質の存在及び物質の濃度を示す。強度図の重心のシフトの分析に基づいて、物質の存在及び/又は濃度を決定することができる。
FIG. 35 shows further properties of the OAM signature that can be changed by passing through the
最後の特徴的OAMシグネチャ特性が図36に示される。この場合、強度図の楕円の主軸3602が、第1の位置3602から第2の位置3604へと角度θ 3606でシフトする。強度図の楕円の主軸は、検出される物質に基づいて位置3602から位置3604へと回転する。角度θは、検出される特定の物質及び物質の濃度に固有的に関連付けられる。このため、強度図において決定された角度θに基づいて物質を検出することができる。
The last characteristic OAM signature characteristic is shown in FIG. In this case, the elliptical
数学的モデルを用いて、離心率の変化、重心のシフト又は平行移動、軸の回転の各々によって与えられる固有OAMシグネチャを表すことができる。離心率の変化は、以下によって表すことができる:
重心の変化は、以下の行列に従い、ベクトルvの空間におけるシフト又は平行移動によって表すことができる:
各軸の回転は、3つの異なる向きの回転を示す以下の一連の行列によって表すことができる:
図37A及び図37Bに示される例では、水のみ(図37A)及び15%グルコース濃度を有する水(図37B)からなる試料へのOAMビームの適用が示される。543nmでのl=7のOAMビームが水のみの3cmキュベットを通って伝搬し、図37Aに示される強度図が得られる。図37Bに示される強度図は、l=7のOAMビームが15%グルコース水溶液を通過する場合に得られる。OAMシグネチャは、図37Aの強度図に示される、通常の円形ビーム振幅上に誘導される楕円率として現れる。特徴的シグネチャの効果は、図38A及び図38Bに示されるような位相図でも観察することができる。図38A及び図38Bには、水の3cmキュベット(図38A)及び15%グルコース水溶液の3cmキュベット(図38B)を通って伝搬する、633nmでのl=2のOAMビームのインターフェログラムが示される。この特定の干渉では、参照ビームは同じ球波面を有する。このため、本質的にらせん状のパターンが位相測定において観察される。特に、グルコース溶液を通って伝搬する試料の位相面の2つのらせんのうち1つにおけるねじれシフトに留意されたい。らせん状のパターンのシフトが、この実験における相互作用のシグネチャである。 In the example shown in FIGS. 37A and 37B, application of an OAM beam to a sample consisting only of water (FIG. 37A) and water having a 15% glucose concentration (FIG. 37B) is shown. An l = 7 OAM beam at 543 nm propagates through a 3 cm cuvette with water only, resulting in the intensity diagram shown in FIG. 37A. The intensity diagram shown in FIG. 37B is obtained when a 1 = 7 OAM beam passes through a 15% aqueous glucose solution. The OAM signature appears as an ellipticity induced on the normal circular beam amplitude shown in the intensity diagram of FIG. 37A. The effect of the characteristic signature can also be observed in the phase diagrams as shown in FIGS. 38A and 38B. 38A and 38B show interferograms of a l = 2 OAM beam at 633 nm propagating through a 3 cm cuvette of water (FIG. 38A) and a 3 cm cuvette of 15% aqueous glucose (FIG. 38B). . For this particular interference, the reference beam has the same spherical wavefront. For this reason, an essentially helical pattern is observed in the phase measurement. In particular, note the twist shift in one of the two helices of the sample phase plane propagating through the glucose solution. The helical pattern shift is the signature of the interaction in this experiment.
非摂動OAMモードは数メートルの自由空間を伝搬する。グルコース試料は位相摂動をOAMビームに付与するようであり、それによりOAMモードが伝搬方向にトポロジー的に関係付けられる。この効果により、より高感度の計測が可能となる。図39にOAMビームの振幅を示し、図40にOAMビームの位相を示す。ビームはOAM l=のビームであり、5%グルコース溶液の3cmキュベット及びキュベットの4メートル上方の面を通過する際に摂動される。ビームの楕円率は、振幅測定及び位相測定の両方ではるかに顕著である。
The unperturbed OAM mode propagates in free space of several meters. The glucose sample appears to impart a phase perturbation to the OAM beam, thereby topologically relating the OAM mode to the propagation direction. This effect enables measurement with higher sensitivity. FIG. 39 shows the amplitude of the OAM beam, and FIG. 40 shows the phase of the OAM beam. The beam is an OAM l = beam and is perturbed as it passes through a 3 cm cuvette of 5% glucose solution and a
OAMシグネチャは、グルコース濃度に関して非線形であり、或る条件下では濃度により幾らか周期的であるようである。グルコース濃度に応じた楕円率を、3cmキュベットを用いてOAMモードl=5、6、7で水中5%〜9%のグルコース濃度について図41にプロットする。初期データにはノイズが多いが、この傾向は幾つかのOAMモードにわたって持続する。
The OAM signature is non-linear with respect to glucose concentration and under certain conditions appears to be somewhat periodic with concentration. The ellipticity as a function of glucose concentration is plotted in FIG. 41 for glucose concentrations of 5% to 9% in water in
およそ750nmを中心とし、当業者に理解されるように、およそ250nmのFWHM(半値全幅)を有するグルコースの広い吸収帯が見られる。グルコースの543nmでの吸光度が633nmでの吸光度の4分の1であることを考えると、形式波長(formal wavelength)がより強いOAM応答をもたらすのは興味深い。これにより、相互作用が感受率の虚部χ’’ではなく感受率の実部χ’に基づくことが示唆される。これとは別の、グルコースの旋光性の特性化では、長さ20cmの試料セルを用いて、543nmにおいて633nmよりも50%大きな比旋光度が測定されたことにも留意されたい。しかしながら、OAM研究では、偏光による効果に識別可能な変化は見られず、3cmの試料を通るビームの偏光状態の変化も観察されなかった。このことは、キラル分子を用いた以前のOAMの偏光研究と一致する。 A broad absorption band of glucose is seen centered around 750 nm and having a FWHM (full width at half maximum) of approximately 250 nm, as will be appreciated by those skilled in the art. Considering that the absorbance of glucose at 543 nm is a quarter of the absorbance at 633 nm, it is interesting that the formal wavelength results in a stronger OAM response. This suggests that the interaction is based on the real part χ ′ of the susceptibility rather than the imaginary part χ ″ of the susceptibility. Note that in another characterization of the optical rotation of glucose, a specific optical rotation of 50% greater than 633 nm was measured at 543 nm using a 20 cm long sample cell. However, in the OAM study, no discernable change was seen in the effect due to polarization, and no change in the polarization state of the beam through the 3 cm sample was observed. This is consistent with previous OAM polarization studies using chiral molecules.
OAMビームの渦度が効果に重要であるかの確認として、円環を使用して、単純な光のリングをグルコース試料に通して投影した。円環パターンを従来のプラスチック透明シートに印刷し、拡大されコリメートされた平行543nmレーザビームを当てた。図42A〜図42Cで明らかなように、水(図42B)又はグルコース(図42C)溶液のキュベットを通して、歪み又はシグネチャは観察されなかった。リング直径の変更は、典型的なOAMビームよりも大きな直径についても、これらの結果を変化させなかった。円環直径がキュベットよりも大きい場合、明白なクリッピングが観察された。本試験におけるビームの出力レベルは、OAM実験よりもオーダーが大きかった。このため、熱的効果は強調されているであろう。 To confirm if the vorticity of the OAM beam is important to the effect, a simple ring of light was projected through the glucose sample using an annulus. An annular pattern was printed on a conventional plastic transparency sheet and irradiated with an expanded collimated parallel 543 nm laser beam. As evident in FIGS. 42A-42C, no distortion or signature was observed through the cuvette of water (FIG. 42B) or glucose (FIG. 42C) solution. Changing the ring diameter did not change these results for larger diameters than typical OAM beams. Obvious clipping was observed when the ring diameter was larger than the cuvette. The beam output level in this test was on the order of the OAM experiment. For this reason, the thermal effect will be emphasized.
グルコース水溶液を実験に使用したため、水中でのOAMの伝搬の研究が重要である。希釈に使用される溶媒である水蒸気蒸留水を、様々な連結及び断面の清浄な新たなセルに入れ、この媒質を通る様々なOAMビームの伝搬を測定した。乾燥セル、経路長0.5cmの試料及び8cmの水の試料を通って伝搬するOAMモードにおいて、識別可能な差異は観察されなかった。 Since an aqueous glucose solution was used in the experiment, the study of OAM propagation in water is important. Steam distilled water, the solvent used for dilution, was placed in new cells with various connections and cross-sections and the propagation of various OAM beams through this medium was measured. No discernable difference was observed in the OAM mode propagating through the dry cell, the sample with a path length of 0.5 cm and the sample with 8 cm water.
別の否定的な結果が、液晶可変リターダを通してOAMビームを伝搬させた実験において観察された。図43において参照符号4302、4304及び4306は、0.1V〜6Vの様々な駆動電圧についての可変波長板の出力でのl=7のOAMモードを示す。
Another negative result was observed in experiments where the OAM beam was propagated through a liquid crystal variable retarder. In FIG. 43,
直交関数処理されたビームを試料に通して照射することにより発生させた強度画像の離心率は、多数の様々な要因のためにばらつきを有し得ることに留意されたい。図44には、レーザ4402により発生させた光ビームを、SLM 4404によって与えられるホログラムによって変化させ、OAMねじれビーム4406を生成する例が示される。OAMねじれビームは、OAM関数によって変化することに加えて、エルミートガウス関数、ラゲールガウス関数又は任意の他のタイプの直交関数を用いて処理してもよい。OAMねじれビームは、レンズ及びミラーのシステム4408を通して集束され、ビームがモード分類器4410を通して指向される。ビームはモード分類器4412で再生成されて、それぞれのモードに分離され、強度画像はカメラ4414によって登録することができる。
It should be noted that the eccentricity of the intensity image generated by irradiating the sample with an orthogonal function processed beam can vary due to a number of different factors. FIG. 44 shows an example in which the light beam generated by laser 4402 is changed by a hologram provided by
レーザ4402からのビームは、およそ0.15の固有の離心率を有する。図45に示されるように、SLMによって発生させた様々なOAMモードが列4502にl=5、4、3、2、1について示される。明らかなように、SLMによって発生させたモードの離心率と、第2のモード分類器4412によって再生成したモードの離心率との間に差異が見られる。 The beam from laser 4402 has an intrinsic eccentricity of approximately 0.15. As shown in FIG. 45, the various OAM modes generated by the SLM are shown in column 4502 for l = 5, 4, 3, 2, 1. As can be seen, there is a difference between the eccentricity of the mode generated by the SLM and the eccentricity of the mode regenerated by the second mode classifier 4412.
Photoshop及びMatlabを用いて離心率の測定を行い、特異的シグネチャを特定する。ここで図46を参照すると、長軸に沿った半径「a」、短軸に沿った半径「b」、及び楕円の焦点4604までの距離「c」を有する楕円4602の例が示される。楕円の離心率は、離心率=c/aの方程式によって表される。離心率は0〜1で変化し、0は円を表し、1は線を表す。離心率の方程式は、以下の方程式に従って計算される:
試料がキュベット内に存在しない場合に離心率が0よりも大きいことが見出されている。多数の要因が、このゼロでない離心率に寄与する。OAMねじれ信号は、屈折率に影響を及ぼし得る多数の異なる要因に基づいて異なる離心率をもたらすことが見出されている。これらの要因としては、重力によるキュベット内の物質の試料分布、空間光変調器からのカメラの距離、及び空間光変調器からのカメラのカメラ角度等が挙げられる。離心率に影響を及ぼす他の要因は、キュベットの位置決め、試料による屈折率の変化、キュベットの形状、並びにキュベットからのビームの入射角及び出射角である。 It has been found that the eccentricity is greater than zero when the sample is not in the cuvette. A number of factors contribute to this non-zero eccentricity. It has been found that the OAM twist signal results in different eccentricities based on a number of different factors that can affect the refractive index. These factors include the sample distribution of the material in the cuvette due to gravity, the distance of the camera from the spatial light modulator, the camera angle of the camera from the spatial light modulator, and the like. Other factors that affect the eccentricity are cuvette positioning, refractive index variation with the sample, cuvette shape, and the incident and exit angles of the beam from the cuvette.
幾つかの画像処理要因も、許容誤差外の変化を引き起こさないと判明した。ソフトウェア処理エラー、OAMでない円形マスク、試料の滞留時間(sitting time)、又は試料容器を含むガラス若しくはプラスチックとの試料の相互作用に基づく変化が離心率の変化をもたらし得るが、この変化はキュベットの向き、カメラの位置合わせ等によって引き起こされる光学的障害に起因するものではない。これらの要因は離心率の幾らかの変化を発生させるが、これらは許容誤差内であり、離心率の変化の大部分が検出される分子のシグネチャに基づく。 Several image processing factors have also been found not to cause out-of-tolerance changes. Changes based on software processing errors, non-OAM circular masks, sample sitting time, or sample interaction with the glass or plastic containing the sample container may result in a change in eccentricity, but this change is dependent on the cuvette's It is not due to optical obstructions caused by orientation, camera alignment, etc. Although these factors cause some change in eccentricity, they are within tolerances and are based on molecular signatures where the majority of eccentricity changes are detected.
ここで図47を参照すると、カメラ4414によって撮影した強度画像を分析するフロー図が示される。強度画像には閾値倍精度振幅(threshold double precision amplitude)が適用され、工程4702でリング外の余分なピクセルなしにリングを明瞭に見ることが可能である。次に工程4701で、画像全体について列及び行の両方が走査される。最大の2つの山について、ピーク及びそれらの位置が工程4706で決定される。工程4008で、見出された全てのピーク位置について楕円がフィッティングされる。最後に工程4710で、楕円の長軸及び短軸、楕円の焦点、楕円の幾何中心、離心率及び向きが決定される。
Referring now to FIG. 47, a flow diagram for analyzing the intensity image taken by the camera 4414 is shown. A threshold double precision amplitude is applied to the intensity image, and the ring can be clearly seen in
図48には、楕円フィッティングアルゴリズムのフローチャートが示される。工程4802で、見出された全てのピークについてX及びYのピクセル位置を入力する。工程4804で、円錐方程式パラメータについての最初の推測を行う。円錐方程式パラメータは、方程式Ax2+By2+Cx+Dy+E=0についてのパラメータA、B、C、D及びEを含む。工程4806で、共役勾配アルゴリズムを用いて、最適なフィッティングをもたらす円錐方程式パラメータを見出す。楕円の向きが工程4808で決定され、動かして長軸及び短軸を決定する。工程4808の決定は、方程式
[非整数OAM信号]
OAMねじれビームを用いた分子分光法は、非整数(fractional)OAM状態を他の強度シグネチャ(すなわち、離心率、質量中心のシフト及び楕円強度の回転)、並びに位相シグネチャ(すなわち、散乱ビームの位相の変化)及び特定の形式の公開された(publicity distributed)スペクトルと共に分子シグネチャとして活用することができる。円偏光光子によるエレクトロニクスの光学的配向法が、固体状態の物質におけるスピン角運動量を研究するために多用されている。このプロセスは、角運動量を陽子のスピンから電子のスピンへと伝達するためにスピン−軌道カップリングに依存し、光学的に励起されたスペンド(spend)の動力学を研究するために、ポンプ−プローブのカー及びファラデーの回転実験に組み込まれている。スピンのデコヒーレンス、輸送及び相互作用による研究を可能にすることにより、この戦略は半導体スピントロニクスの開発においてある役割を果たしている。
[Non-integer OAM signal]
Molecular spectroscopy using an OAM torsional beam can produce fractional OAM states with other intensity signatures (ie, eccentricity, center of mass shift and elliptical intensity rotation), and phase signature (ie, the phase of the scattered beam). Change) and certain types of publicity distributed spectra can be utilized as molecular signatures. Optical orientation of electronics with circularly polarized photons is often used to study spin angular momentum in solid state materials. This process relies on spin-orbit coupling to transfer angular momentum from proton spins to electron spins, and to study the dynamics of optically excited spend pump- It is incorporated in the probe car and Faraday rotation experiments. This strategy plays a role in the development of semiconductor spintronics by enabling studies by spin decoherence, transport and interaction.
提案されている分光技法は、代わりに、局在化された軌道角運動量(OAM)及び固体に焦点を合わせている。具体的には、空間的な広がりで巨視的であり得る包絡波動関数に関連付けられた非局在化OAMと、通例、スピン及び関連の電子状態の影響に組み込まれる原子位置(atomic site)に関連付けられた局所OAMとを区別することができる。前者のタイプの角運動量は、軌道フリート(fleet)コヒーレントシステム(例えば量子ホール層、超電導体及びトポロジカル絶縁体)の基本的な対象である。これら及び他のシステムにおいて非平衡非局在化OAMを研究する技法は、キラル電子状態の散乱及び量子コヒーレンスの理解を改善する機会をもたらし、材料の発見に影響を与える可能性がある。 Proposed spectroscopic techniques instead focus on localized orbital angular momentum (OAM) and solids. Specifically, delocalized OAM associated with envelope wave functions that can be macroscopic in spatial extent, and typically associated with atomic sites incorporated into the effects of spin and related electronic states It can be distinguished from the local OAM generated. The former type of angular momentum is a fundamental object of orbital fleet coherent systems (eg quantum hole layers, superconductors and topological insulators). Techniques for studying nonequilibrium delocalized OAMs in these and other systems provide an opportunity to improve the understanding of scattering and quantum coherence of chiral electronic states and may influence material discovery.
光とβアミロイド中のグルコースとの相互作用及びこれらに関するOAMの分光法用途。付加的に、楕円ファイバにおける音響モードと光子モード(photonic modes)との間のOAMの伝達、OAMを有するラマンサイドバンドの生成、プレザントモニカレンズ(pleasant Monica lens)を用いたOAM、パターン化されたシン(sin)金属膜におけるOAM光に対する2Dプレザントモニカアナログを生成するための直線偏光の適用における波混合を用いた励起子における光学的にコヒーレントなOAMの研究、及び、効率的な半導体のためのエレクトロニクスまでのスピン偏光投票(spin polarized vote)を生成するOAM光の可能性も、これらの技法に用いられ得る。 Interaction of light with glucose in β-amyloid and related OAM spectroscopy applications. Additionally, transmission of OAM between acoustic and photonic modes in elliptical fibers, generation of Raman sidebands with OAM, OAM using a Pleasant Monica lens, patterned Study of optically coherent OAM in excitons using wave mixing in the application of linear polarization to generate 2D Pleasant moniker analogs for OAM light in sin metal films, and for efficient semiconductors The possibility of OAM light to produce a spin polarized vote to electronics can also be used for these techniques.
ここで図49を参照すると、整数OAM状態と関連する問題を軽減し、上記と同様の目的で非整数OAMの安定状態の使用を可能にするために、入れ子状(nested)非整数OAM状態を使用する一態様が示される。この場合、入力信号4902が非整数OAM生成回路構成4904に供給される。非整数OAM生成回路構成4904は、非整数直交状態を有する出力信号4906を生成し、これを続いて本明細書で論考されるように更に適用又は検出することができる。
Referring now to FIG. 49, in order to alleviate the problems associated with integer OAM states and to allow the use of stable states for non-integer OAMs for purposes similar to those described above, nested non-integer OAM states are used. One embodiment to use is shown. In this case, the
光ビームの軌道角運動量は、それらの方位角位相構造の結果である。光ビームは、位相因子exp(imφ)(ここで、mは整数であり、φは方位角である)を有し、ビーム軸に沿って1光子当たり
近年、非整数のステップ高さを有するらせん位相ステップ、及び空間ホログラムが、非整数OAM状態を有する光ビームの生成に使用されている。これらの実施においては、生成用光学デバイスがexp(iMφ)(ここで、Mは整数値に制限されない)の位相変化を起こす。かかるビームの位相構造は、はるかに複雑なパターンを示す。交番する電荷を有する一連の光渦が、光学デバイスによりインプリントされた位相不連続の方向にわたる暗線に生じる。これらのビームの軌道角運動量の平均値を得るためには、渦パターンの平均をとる必要がある。この平均値は、整数値及び半整数値についてのみ位相ステップと一致する。量子状態として非整数OAMを有するビームを表すには、光学と量子論との間に確実により多くの関連性が存在する。 Recently, helical phase steps with non-integer step heights and spatial holograms have been used to generate light beams with non-integer OAM states. In these implementations, the generating optical device causes a phase change of exp (iMφ), where M is not limited to an integer value. Such a beam phase structure exhibits a much more complex pattern. A series of optical vortices with alternating charges occur in the dark line across the direction of the phase discontinuity imprinted by the optical device. To obtain the average value of the orbital angular momentum of these beams, it is necessary to average the vortex pattern. This average value matches the phase step only for integer and half integer values. There is certainly more relation between optics and quantum theory to represent beams with non-integer OAM as quantum states.
非整数OAMを有する光モードの理論的説明は、生成用光学デバイスに基づく。整数OAM値については、角度自体を量子力学的エルミート演算子として扱う方法をもたらす理論的説明が存在し得る。この説明により、セキュアな量子通信システムの基礎的な理論を与え、角度及び角運動量についての不確定性関係を形作ることができる。この理論を非整数値のMについて一般化し、それにより非整数OAMを量子力学的に説明することができる。そのような厳密な公式には特に関心が持たれ、半整数らせん位相板が高次元のもつれを研究するために用いられる。非整数OAM状態は、位相ステップの高さだけでなく、位相転位の向きαによっても特徴付けられる。奇半整数値(M mod 1=1/2)のMについては、同じMを有しαがπだけ異なる状態は直交する。光媒体での軌道角運動量へのスピンの変換における量子鍵配送への整数OAMの最近の適用の観点から、量子通信への非整数OAMの考え得る適用には厳密な公式が重要である。
The theoretical description of optical modes with non-integer OAM is based on generating optical devices. For integer OAM values, there may be a theoretical explanation that provides a way to treat the angle itself as a quantum mechanical Hermitian operator. This explanation gives the basic theory of a secure quantum communication system and can form an uncertainty relationship for angle and angular momentum. This theory can be generalized for non-integer values of M, thereby explaining non-integer OAM quantum mechanically. Such exact formulas are of particular interest, and half-integer helical phase plates are used to study higher dimensional entanglements. Non-integer OAM states are characterized not only by the phase step height, but also by the phase shift orientation α. For M with an odd half integer value (
伝搬方向Lz及び方位回転角におけるOAMの成分は、1対の共役変数(時間−周波数又は空間−運動量と同様)を形成する。どちらも非有界の連続した状態空間上で定義される線形位置及び運動量とは異なり、OAM及び回転角の状態空間は本質的に異なる。OAM固有状態は状態の離散集合を形成し、mは全ての整数値をとる。2πラジアン未満しか異ならない回転角を区別するのは物理的に不可能であるため、角度演算子の固有状態は2πラジアン間隔に制限される。角度演算子の特性は、任意の大きさであるが、有限の2L+1次元の状態空間において厳密に導き出される。この空間は、角運動量状態|m〉にわたり、mは−L、−L+1、...Lの範囲である。したがって、2πラジアン間隔[θ0,θ0+2π)は、2L+1個の直交角度状態|θn〉にわたり、θn=θ0+2πn/(2L+1)である。ここで、θ0により間隔の始点が決まり、これにより特定の角度演算子φ^θが決まる。物理的結果がこの状態空間内で計算された場合にのみ、Lは無限に向かってもよく、これにより、無限であるが可算数のOAMの基底状態及び2πラジアン間隔内の角度状態の稠密集合の結果が再現される。
The components of OAM in the propagation direction L z and the azimuth rotation angle form a pair of conjugate variables (similar to time-frequency or space-momentum). Both differ from the linear position and momentum defined on an unbounded continuous state space, and the OAM and rotational angle state spaces are essentially different. The OAM eigenstates form a discrete set of states, and m takes all integer values. Since it is physically impossible to distinguish rotation angles that differ by less than 2π radians, the eigenstates of the angle operator are limited to 2π radians. The characteristics of the angle operator are arbitrarily large, but are strictly derived in a finite 2L + 1 dimensional state space. This space spans the angular momentum state | m>, where m is −L, −
非整数OAMを有する量子状態は、|M〉(ここで、M=m+μであり、mは整数部であり、μ∈[0,1)は小数部である)によって示される。状態|M〉は、以下に従って角度状態に分解される:
整数ベースのOAM生成用途では、光ビームは、らせん位相板を用いて生成することができる。しかしながら、非整数位相ステップを有する、らせん位相板を用いて生成した光ビームは、伝搬時に不安定である。しかしながら、非整数軌道角運動量ビームを有する光を、らせん位相板の位相ステップではなく、ラゲール−ガウスモードの合成によって生成することができる。これは、図50に示されるように空間光変調器5002を用いて達成することができる。入力信号5004が空間光変調器5002に供給され、非整数OAMビーム5006の生成のために使用される。空間光変調器5002は、らせん位相板の位相ステップを用いるのではなく、ラゲールガウスモードを合成する。重ね合わせにおいてグイ位相の数を制限することによって、その伝搬についてよく特性化されたSLM 5002から光ビームを発生させることができる。これらのSLMからの非整数OAM光ビームは、構造安定性のために、非整数OAM状態を用いた通信に理想的である。付加的に、本明細書で下記に説明されるように、ビームは様々な有機物質の濃度測定に有用である。
For integer-based OAM generation applications, the light beam can be generated using a helical phase plate. However, a light beam generated using a helical phase plate with non-integer phase steps is unstable during propagation. However, light with non-integer orbital angular momentum beams can be generated by Laguerre-Gaussian mode synthesis, rather than the phase step of a helical phase plate. This can be achieved using a
空間光変調器5002を用いて、非整数OAMを有する光ビームを、異なる値のmを有する光モードの一般的重ね合わせとして発生させることができる。図51に示されるように、様々なラゲール−ガウスビームモード5102に、空間光変調器5002によって重ね合わせプロセス5104を適用し、非整数ビーム出力5106を生成することができる。光学と量子論との対応を用いることで、OAMを量子状態として表すことができる。概して図52に示されるように、この量子状態5202は、整数OAM状態5204の基底に分解することができる。分解によりOAM指数mのみが決まるが、LGビームの重ね合わせにおいて同心リングの数の指数は不特定のままである。したがって、伝搬安定性を増大するために、この柔軟性を利用して、最小数のグイ位相を有する重ね合わされたLGビームに関する非整数OAM状態の表現を見出すことができる。これらのビームを、空間光変調器5002を用いて発生させ、それらの伝搬及び渦構造を研究することができる。この態様で構成された光ビームでは、非整数OAM状態が良好に実現され、伝搬及びらせん位相板の非整数面のステップからの光の発生の際により安定している。
A
ここで図53を参照すると、非整数OAMビームを得るために、SLMをプログラム化することができる態様が示される。各ラゲールガウスモードを別個に生成する複数の光学素子を使用するのではなく、重ね合わせを生成するように位相構造5306及び強度構造5308を設定するホログラム5304により、単一のSLM 5302をプログラムすることができる。一次非整数オーダーを角度分離するために、ブレーズド回折格子5310もホログラム5304に含まれる。ホログラム5304及び直線座標Ф(x,y)ホロの得られる位相分布についての式は、以下によって与えられる:
この方程式において、Ф(x,y)ビームは、z=0についてのビームウエストでの重ね合わせの位相プロファイルであり、Ф(x,Λ)回折格子は、回折格子の周期Λに依存するブレーズド回折格子の位相プロファイルである。2つの位相分布をモジューロ2πに加算し、πを減算した後、強度マスクを乗算する。低強度の領域では、強度マスクがブレーズド回折格子5310の効果を低減し、これにより一次回折オーダーの強度が低減する。位相深さと所望の強度との間のマッピングは線形ではなく、三角sinc関数によって与えられる。 In this equation, the Ф (x, y) beam is a superposed phase profile at the beam waist for z = 0, and the Ф (x, Λ) grating is a blazed diffraction that depends on the grating period Λ. It is a phase profile of a grating. Add the two phase distributions to modulo 2π, subtract π, and then multiply by the intensity mask. In the low intensity region, the intensity mask reduces the effect of the blazed diffraction grating 5310, which reduces the intensity of the first order diffraction order. The mapping between phase depth and desired intensity is not linear and is given by a triangular sinc function.
ここで図54及び図55を参照すると、非整数OAMビームを発生させるホログラムを生成するために必要とされる工程が示される。初めに工程5502で、ブレーズド回折格子5402を表す搬送波位相を、重ね合わせモジューロ2πの位相5404に加算する。この複合位相5406に、工程5504で位相深さと回折強度3010との間の正確なマッピングを考慮した強度マスク5408を乗算する。工程5506で得られるホログラム5412は、所望の非整数OAMビームに必要とされる位相及び強度プロファイルを有するホログラムである。
Referring now to FIGS. 54 and 55, the steps required to generate a hologram that generates a non-integer OAM beam are shown. First, in
ここで図56を参照すると、10モード及びM=6.5の重ね合わせについての伝搬時の強度プロファイル及び位相プロファイルが示される。強度プロファイル及び位相プロファイル5602、5604及び5606は、3つの異なる伝搬距離z=0、z=2zR及びz=4zRについての一連の数値プロットを示し、ウエスト面から遠距離場への伝搬時の位相及び強度の変化を示す。様々な断面を、各々のzの値について±3w(z)の範囲にわたってプロットする。プロファイル5608、5610及び5612は、対応する実験的プロファイルを示す。
Referring now to FIG. 56, the intensity profile and phase profile during propagation for 10 modes and M = 6.5 superposition are shown. Intensity and
非整数OAMビームの使用は、多数の方法で利用することができる。一実施形態では、図57に示されるように、非整数OAMビームを非整数OAMビームジェネレータ5702から生成することができる。次いで、これらの非整数OAMビームが本明細書で上記に論考されるものと同様の態様で試料5704に通して示される。次いで、OAM分光法検出回路構成5706を使用して、試料5704を通して照射されるOAMビームによって生じる或る特定のOAM非整数状態プロファイルを検出することができる。特定のOAM非整数状態は、試料5704によって生じる特定の非整数OAM状態特徴を有する。このプロセスは、本明細書で上記に説明されるものと同じ態様で奏功する。
The use of non-integer OAM beams can be utilized in a number of ways. In one embodiment, a non-integer OAM beam may be generated from a non-integer
図58には、試料中の特定の物質を特定するために用いることができるOAM状態プロファイルの一例が示される。この場合、最大数のOAM状態はL=3で示される。付加的な状態レベルもL=1.5;L=2.75;L=3.5及びL=4で示される。この具体的なOAM状態プロファイルは、ある特定の物質に固有的に関連付けられ、そのプロファイルが検出された場合に試料中の物質を特定するために使用することができる。ラゲールガウス光ビームとグルコース及びβアミロイドとの相互作用は、試料タイプに対するOAMの初期の分光法用途であった。 FIG. 58 shows an example of an OAM state profile that can be used to identify a particular substance in a sample. In this case, the maximum number of OAM states is indicated by L = 3. Additional state levels are also indicated by L = 1.5; L = 2.75; L = 3.5 and L = 4. This specific OAM state profile is uniquely associated with a particular substance and can be used to identify the substance in the sample when that profile is detected. The interaction of the Laguerre Gaussian light beam with glucose and β-amyloid was an early spectroscopic application of OAM for sample types.
光ファイバにおける音響モードと光子モードとの間のOAMの伝達、OAMを有するラマンサイドバンドの生成、プラズモンレンズを用いたOAM、4波混合を用いた励起子における光学的にコヒーレントなOAMの研究、パターン化金属薄膜におけるOAM光に対する2Dプラズモンアナログ(plasmonic analog)を作り出すための直線偏光の適用、及び、効率的な半導体のためにスピン偏極光電子を発生するOAM光の可能性が、他の考え得る分光法用途である。 OAM transfer between acoustic and photon modes in optical fibers, generation of Raman sidebands with OAM, OAM using plasmon lenses, study of optically coherent OAM in excitons using four-wave mixing, Other considerations include the application of linearly polarized light to create 2D plasmonic analog for OAM light in patterned metal thin films, and the possibility of OAM light to generate spin-polarized photoelectrons for efficient semiconductors. For obtaining spectroscopic applications.
OAM状態プロファイルを生成及び検出する他の手段も利用することができる。例えばポンプ−プローブ磁気軌道アプローチを用いることができる。この実施形態では、ラゲール−ガウス光ポンプパルスにより軌道角運動量を物質の電子状態に付与し、その後の動力学をフェムト秒の時間分解能で研究する。励起には角運動量をスポットサイズによって決まる巨視的領域に分布させる渦モードが用いられ、光プローブにより試料から反射された渦モードのキラル不均衡が研究される。ポピュレーション及びスピン緩和とは明らかに異なるが、長く持続する時間スケールで展開する過渡信号が存在する。 Other means for generating and detecting OAM state profiles can also be utilized. For example, a pump-probe magnetic orbital approach can be used. In this embodiment, orbital angular momentum is imparted to the electronic state of matter by Laguerre-Gaussian optical pump pulses, and the subsequent dynamics are studied with femtosecond time resolution. The excitation uses a vortex mode in which angular momentum is distributed in a macroscopic region determined by the spot size, and the chiral imbalance of the vortex mode reflected from the sample by the optical probe is studied. Clearly different from population and spin relaxation, there are transient signals that evolve on a long-lasting time scale.
[多重パラメータ分光法]
OAM分光法の更なる用途は、より決定的な分析を得るために多数の異なるタイプの分光法を用いて要素を特定することによって更に改良することができる。ここで図59を参照すると、概して、多重パラメータ分光法システム5900が示される。複数の異なる分光法パラメータ5902を個別に追跡し、分析することができる。次いで、パラメータ群を、多重パラメータ分光分析プロセッサ又はシステム5904を用いて合わせて分析し、出力5906により試料を決定及び特定する。異なる分光学的技法により、光源5908、例えばレーザから生成され、試料5910を通過した光ビームを受信し、試料中の物質又は物質の濃度が検出される。図59の光源では単一のレーザ及び光ビームが示されるが、複数の光源により複数の光ビームを供給しても、又は単一の光源を使用して複数の光ビームを供給してもよい。一例では、少量の試料の物理特性及び電子特性をリアルタイムで完全に特性化する単一の光学分光法システムの開発を、光の偏光、波長及び軌道角運動量(OAM)を用いて達成することができる。試料の原子構造及び分子構造を特性化するために偏光光源が使用される。光源の波長により、分極率の程度を含む試料の原子及び分子の電子特性が特性化される。光源のOAM特性が主に分子キラリティを特性化するために用いられるが、かかる新たな技法は、キラル分子又は試料に限定されず、非キラルの分子又は試料にも適用することができる。これら3つの分光法の次元を組み合わせると、物質の組成を特定するプロセスが大幅に改善する。小型のハンドヘルド分光計に組み込むことで、3D又は多重パラメータ分光法により、有用なリアルタイムの化学情報及び生体情報を含む多数の用途が消費者に可能となる。他のポンプ−プローブ分光技法と組み合わせることで、3D/多重パラメータ分光法により超高速の高度選択的な分子分光法における新たな可能性が期待される。以下の説明で、多重パラメータ分光法システム5900において実装することができる多数の異なる分光技法を論考するが、本開示の多重分光分析システムを提供するために他の分光技法を組み合わせることができることを理解されたい。
[Multi-parameter spectroscopy]
Further applications of OAM spectroscopy can be further improved by identifying elements using a number of different types of spectroscopy to obtain a more definitive analysis. Referring now to FIG. 59, generally a
[光学分光法]
分光法は、光と様々な物質との相互作用の測定である。光は物質により吸収又は放出され得る。吸収又は放出される光の量を分析することによって、物質の組成及び量を決定することができる。
[Optical spectroscopy]
Spectroscopy is a measurement of the interaction of light with various substances. Light can be absorbed or emitted by the substance. By analyzing the amount of light absorbed or emitted, the composition and amount of the substance can be determined.
光のエネルギーの一部が物質に吸収される。物質と相互作用する所与の波長の光が異なる波長で放出され得る。これは蛍光、発光及びリン光のような現象において起こる。物質に対する光の影響は、光の波長及び強度、並びに分子及び原子との物理的相互作用に依存する。 Part of the energy of light is absorbed by the material. A given wavelength of light interacting with a substance can be emitted at a different wavelength. This occurs in phenomena such as fluorescence, luminescence and phosphorescence. The effect of light on matter depends on the wavelength and intensity of light and the physical interaction with molecules and atoms.
電磁スペクトルの光学スペクトル領域における相対測定を行い、分散素子によってスペクトル的に分散した光を用いる分光計の概略図を図60に示す。特に、デバイス6002(モノクロメータ、ポリクロメータ又は干渉計等)により、光源6004から特定の波長が選択される。この単波長の光が試料6006と相互作用する。検出器6008を用いて、この相互作用によって生じる光のスペクトルを測定する。検出器6008がある波長範囲をスイープすることで、得られる光6010の吸光度又は強度の変化が測定される。A. Hind, 「Agilent 101: An Introduction to Optical Spectroscopy」、2011. (http://www.agilent.com/labs/features/2011_101_spectroscopy.html」(その全体が参照により本明細書に援用される)において論考されるような、これらの基礎測定に基づく様々な異なる分光学的技法が開発されている。ここで、赤外分光法、ラマン分光法、テラヘルツ分光法、蛍光分光法及び軌道角運動量分光法を含む分子分光技法に注目する。
FIG. 60 shows a schematic diagram of a spectrometer that performs relative measurement in the optical spectral region of the electromagnetic spectrum and uses light spectrally dispersed by a dispersive element. In particular, the device 6002 (monochromator, polychromator, interferometer, etc.) selects a specific wavelength from the
[分子分光法]
[赤外分光法]
様々なタイプの分子分光技法を、多重パラメータ分光法システムに用いることもできる。これらの技法としては、赤外分光法等が挙げられる。
[Molecular spectroscopy]
[Infrared spectroscopy]
Various types of molecular spectroscopy techniques can also be used in a multi-parameter spectroscopy system. These techniques include infrared spectroscopy.
赤外周波数は、図61に示すように電磁スペクトルの可視領域とマイクロ波領域との間に生じる。ヘルツ(Hz)で測定される周波数νと、通例センチメートル(cm)で測定される波長λ 6102とは、以下の方程式に従って反比例する:
光のエネルギーは、以下によってλ及びνに関係付けられる:
赤外(IR)スペクトル6104は近赤外、中赤外及び遠赤外の3つの領域に分けられる。中赤外領域は、3×10−4cm〜3×10−3cmの波長を含む。
The infrared (IR)
赤外分光法の過程ではIR放射は有機分子に吸収される。赤外線エネルギーが特定の分子振動モードのエネルギーと整合すると分子振動が生じる。これらの周波数で光子が物質に吸収されるが、他の周波数の光子は物質を通って伝達される。 In the course of infrared spectroscopy, IR radiation is absorbed by organic molecules. Molecular vibration occurs when the infrared energy matches the energy of a particular molecular vibration mode. Photons are absorbed by the material at these frequencies, but photons of other frequencies are transmitted through the material.
種々の物質のIRスペクトルは通例、固有の透過率T、ピーク及び吸光度トラフ値(troughs)(図62に示す水蒸気の測定IRスペクトルのような様々な周波数で生じる)を含む。 The IR spectra of various materials typically include intrinsic transmission T, peaks and absorbance troughs (occurring at various frequencies such as the measured IR spectrum of water vapor shown in FIG. 62).
吸光度Aは、以下によって透過率に関係付けられる:
[分子振動]
ここで図63を参照すると、水分子は、伸縮及び曲げの2つのタイプの分子振動を示す。n個の原子6308からなる分子6302は、3nの自由度を有する。水のような非直線状分子では、これらの自由度のうち3つが回転であり、3つが平行移動であり、残りが基本振動に相当する。直線状分子6302では、2つの自由度が回転であり、3つが平行移動である。したがって、非直線状分子及び直線状分子についての基本振動の正味の数は、それぞれ3n−6及び3n−5である。
[Molecular vibration]
Referring now to FIG. 63, water molecules exhibit two types of molecular vibrations, stretching and bending. A
水蒸気については、それぞれ水蒸気の2つの伸縮振動モード6304及びその曲げモード6306の結果として、およそ2.7μm及び6.3μmで生じる2つの強い吸光度トラフ値6202(図62)が見られる。特に、対称伸縮モード及び非対称伸縮モード6304は、互いに極めて近い周波数(それぞれ、2.734μm及び2.662μm)で吸収し、図62において、複数のトラフ値6202の間の単一の比較的広い吸光帯として現れる。
For water vapor, there are two strong absorbance trough values 6202 (FIG. 62) that occur at approximately 2.7 μm and 6.3 μm, respectively, as a result of the two stretching
二酸化炭素CO2は、2つのはさみ振動及び曲げ振動6402、6404(図64。これらは同等であり、したがって同じ縮退周波数を有する)を示す。この縮退は、図65の赤外スペクトルにλ=15μmで現れる。CO2の対称伸縮振動モード6404は、その分子の双極子モーメントを摂動しないことから、赤外で不活性である。しかしながら、CO2の非対称伸縮振動モード6402は、分子の双極子モーメントを摂動し、図65に示すようにCO2において4.3μmで吸光度を生じる。
Carbon dioxide CO 2 exhibits two scissor and bending
分子の分子伸縮及び曲げ振動モード(図63及び図64)はどちらも、単純な古典的力学モデルを用いて有用な理論的近似まで予測することができる。 Both molecular stretching and bending vibration modes (FIGS. 63 and 64) of a molecule can be predicted to a useful theoretical approximation using a simple classical mechanical model.
[伸縮振動]
分子結合の伸縮周波数は、ばねによって結合した2つの等しい質量からなる単純な古典的調和振動子として扱うことで、以下のようにフックの法則により近似することができる:
By treating it as a simple classical harmonic oscillator consisting of two equal masses connected by a spring, the stretching frequency of molecular bonds can be approximated by Hooke's law as follows:
古典的調和振動子では、エネルギーは、以下のようにばねが伸張又は圧縮される程度に応じて異なる:
最低エネルギー準位はE0=1/2hν、続いてE1=3/2hνである。選択規則により、次のエネルギー準位への遷移のみが許容される。続いて、分子はhνの整数増分で光子エネルギーを吸収する。しかしながら、2hν又は3hνの光子吸収エネルギーについては、得られる吸光帯は、赤外スペクトルの倍音(overtones)と呼ばれ、基本振動帯よりも強度が低い。 The lowest energy level is E 0 = 1/2 hν, followed by E 1 = 3/2 hν. Only the transition to the next energy level is allowed by the selection rule. Subsequently, the molecule absorbs photon energy in integer increments of hν. However, for photon absorption energy of 2hν or 3hν, the resulting absorption band is called infrared spectrum overtones and is less intense than the fundamental vibration band.
分子内の原子結合は、極端に伸張した場合に壊れる可能性があり、或る特定の点を越えて圧縮することはできない。そのため、分子は実際には非調和振動子である。原子間距離の関数としての非調和振動子のエネルギーを図66に示し、エネルギー最小は、通常の結合長6602(弛緩した古典的機械ばねに等しい)で生じる。原子間距離が増大するにつれ、量子化エネルギー準位6604がより密集し、エネルギーが最大に達する。許容される遷移hνは小さくなり、図67に図示される単純調和振動子理論を用いて予測されるよりも低い倍音エネルギーをもたらす。
Intramolecular atomic bonds can break when stretched extremely and cannot be compressed beyond a certain point. Therefore, the molecule is actually an anharmonic oscillator. The energy of the anharmonic oscillator as a function of interatomic distance is shown in FIG. 66, with the energy minimum occurring at the normal bond length 6602 (equal to a relaxed classical mechanical spring). As the interatomic distance increases, the
この数学的フレームワークは、単純でないにせよ有用な近似であるが、大きな分子における2つの原子間の振動活動は、分子内の他の原子の振動挙動とは切り離すことはできない。分子内の2つの結合の振動は、一方が収縮又は拡張し、他方が非対称伸縮振動又は対称伸縮振動のように収縮する態様で連結し得る。これが起こると、重ね合わされた又は縮退した帯(結合中の同種の原子2つが同一の力定数で振動する場合に観察されるようなもの)ではなく、異なる吸光周波数帯が観測される。 This mathematical framework is a useful approximation, if not simple, but the vibrational activity between two atoms in a large molecule cannot be separated from the vibrational behavior of other atoms in the molecule. The vibrations of two bonds in a molecule can be linked in such a way that one contracts or expands and the other contracts like an asymmetric stretching vibration or a symmetrical stretching vibration. When this happens, different absorption frequency bands are observed rather than superimposed or degenerate bands (as observed when two similar atoms in a bond vibrate with the same force constant).
物質種をそれらの固有の振動及び回転光学シグネチャによって特定するために赤外分光法が用いられる。相補的な分光技法であるラマン分光法が、次章で論考されるように物質をそれらの固有の光散乱シグネチャによって特定するために用いられる。 Infrared spectroscopy is used to identify species by their unique vibrational and rotational optical signatures. A complementary spectroscopic technique, Raman spectroscopy, is used to identify materials by their unique light scattering signature as discussed in the next section.
[ラマン分光法]
ラマン分光法は、散乱する光の量によって物質を特性化するために用いられる技法である。ラマン分光法は、代わりに物質に吸収される光の量を測定する赤外分光法を補完する。ラマン分光法及び赤外分光法は、分析結果を更に改善するために、OAM及び偏光分光法と更に併用することができる。光が物質と相互作用する場合、その分子の双極子モーメントの変化が赤外吸収帯をもたらし、それらの分極率の変化によりラマン帯が発生する。観察されるエネルギー帯のシーケンスは、各分子タイプを示す固有分光シグネチャを集団として生じる特定の分子振動から生じる。ラマン分光法において生じる或る特定の振動モードは、赤外分光法では禁制であるが、他の振動モードは、両方の技法又はOAMを用いる多重パラメータ技法を用いて観察することができる。これらの後者のモードが両技法に共通する場合、それらの強度は顕著に異なる。
[Raman spectroscopy]
Raman spectroscopy is a technique used to characterize materials by the amount of scattered light. Raman spectroscopy complements infrared spectroscopy, which instead measures the amount of light absorbed by a material. Raman spectroscopy and infrared spectroscopy can be further used in combination with OAM and polarization spectroscopy to further improve the analytical results. When light interacts with matter, changes in the dipole moment of the molecule result in infrared absorption bands, and changes in their polarizabilities generate Raman bands. The sequence of observed energy bands arises from specific molecular vibrations that collectively produce a unique spectral signature indicative of each molecular type. Certain vibration modes that occur in Raman spectroscopy are forbidden in infrared spectroscopy, but other vibration modes can be observed using both techniques or multi-parameter techniques using OAM. If these latter modes are common to both techniques, their strengths are significantly different.
最もよく見られる光子と分子との相互作用は、励起された電子が元のエネルギー準位に落下する結果として光子が弾性散乱する、レイリー散乱をもたらす。その結果として、レイリー散乱された光子は入射光子と同じエネルギーを有する。 The most common interaction between photons and molecules results in Rayleigh scattering, where the photons elastically scatter as a result of the excited electrons falling to their original energy level. As a result, Rayleigh scattered photons have the same energy as incident photons.
C. V. Raman及びK.S. Krishnanによる1928年の非弾性光子散乱現象の発見により、ラマン分光法が固体、液体及び気体の試料を含む広範な化学種の特性化に有用な実用的な化学分析法として確立された。固体結晶格子振動は通例、ラマン分光法において活性であり、それらのスペクトルはポリマー及び半導体試料中で現れる。気体試料は、振動遷移によって特徴付けることができる回転構造を示す。 The discovery of inelastic photon scattering in 1928 by CV Raman and KS Krishnan established Raman spectroscopy as a practical chemical analysis useful for characterizing a wide range of chemical species, including solid, liquid and gaseous samples. It was. Solid crystal lattice vibrations are typically active in Raman spectroscopy, and their spectra appear in polymer and semiconductor samples. The gas sample exhibits a rotating structure that can be characterized by vibrational transitions.
入射光子のおよそ1パーセントが非弾性的に散乱し、より低エネルギーの光子を生じる。ラマン散乱は分子の振動エネルギー、回転エネルギー又は電子エネルギーの変化によって生じる。散乱する分子の振動エネルギーは、入射光子とラマン散乱される光子との差異に等しい。入射光子が分子の電気双極子と相互作用する場合、この形態のバイブロニック分光法は、古典的に分子の電場の摂動とみなされることが多い。しかしながら、量子力学的には、散乱事象は、実際の電子遷移よりも低エネルギーの仮想エネルギー状態への励起と、ほぼ同時の準位落下及び振動エネルギーの変化として記述される。かかる分光法は、OAMを有する入射光子と併せて奏功し得る。ラマン分光法では、入射光子は、電子をその元のエネルギー準位とは異なる最終エネルギー準位へと励起する(図68)。 Approximately 1 percent of the incident photons scatter inelastically, resulting in lower energy photons. Raman scattering is caused by changes in the vibrational energy, rotational energy, or electronic energy of the molecule. The vibrational energy of the scattered molecules is equal to the difference between the incident photons and the Raman scattered photons. This form of vibronic spectroscopy is often classically regarded as a perturbation of the electric field of a molecule when the incident photons interact with the electric dipole of the molecule. However, quantum mechanically, a scattering event is described as an excitation to a virtual energy state that is lower in energy than the actual electronic transition, and a nearly simultaneous level drop and vibrational energy change. Such spectroscopy can be successful in conjunction with incident photons having OAM. In Raman spectroscopy, incident photons excite electrons to a final energy level that is different from their original energy level (FIG. 68).
ラマン散乱の強度は低いため、振動エネルギーの散逸によって発生する熱は、感知され得る物質温度の上昇を生じない。かかるラマン分光法は、OAMを有する入射光子と併せて奏功し得る。室温では、振動励起状態のポピュレーションは小さい。室温では励起される振動状態が低く、電子が基底状態に生じることから、ラマン分光法において、通例、図68に示すストークスシフト散乱事象が観察される。電子が元の基底状態6808よりも高いエネルギー準位6806へと崩壊することから、非弾性ラマン散乱光子6802は入射光子6804よりも低いエネルギーを有する。アンチストークスシフト散乱事象6810は、最初に振動励起状態にある分子のごく一部によって生じ(図68)、それらを基底状態6812に置き、より高エネルギーのラマン散乱光子を生じる。室温では、ストークススペクトル及びアンチストークススペクトルが同じ周波数情報を有するので、アンチストークスシフトラマンスペクトルは、ストークスシフトスペクトルよりも常に弱い。このため、殆どのラマン分光法は、ストークスシフト散乱現象のみに焦点を合わせている。
Because the intensity of Raman scattering is low, the heat generated by the dissipation of vibrational energy does not cause an increase in perceivable material temperature. Such Raman spectroscopy can work in conjunction with incident photons having OAM. At room temperature, the vibrationally excited population is small. Since the excited vibrational state is low at room temperature and electrons are generated in the ground state, the Stokes shift scattering event shown in FIG. 68 is usually observed in Raman spectroscopy. The inelastic Raman
振動モードエネルギーをモデル化することができる力定数は、原子質量、分子種、結合次数、及び分子の幾何学的配置を含む分子構造によって影響を受け得る。しかしながら、分子の分極率が影響を受け得る場合にラマン散乱が生じる。 Force constants that can model vibrational mode energy can be affected by molecular structure including atomic mass, molecular species, bond order, and molecular geometry. However, Raman scattering occurs when the polarizability of the molecule can be affected.
分子の分極率αは、以下のように電場と誘起双極子モーメントとの間の比例定数として現れる:
誘起双極子は、入射光子の周波数で光子を散乱する(レイリー散乱)。しかしながら、分子振動は分極率を変化させ、光子の非弾性ラマン散乱を生じさせる可能性がある。分極率の変化は、以下によって表すことができる:
ラマン活性振動は、対称中心を有する分子について赤外には存在せず、摂動された対称中心(例えば、永久双極子モーメント)の存在により赤外活性振動の非存在が示される。 Raman active vibrations do not exist in the infrared for molecules having a center of symmetry, and the presence of a perturbed center of symmetry (eg, a permanent dipole moment) indicates the absence of infrared active vibrations.
ラマン帯の強度は、以下のように、誘起双極子モーメント又は分極率の空間的変化の2乗に比例する:
ラマン分光法は、他の分光技法に優る幾つかの利点を示す。ラマン帯は、その基本振動モードの検出のために良好な信号対ノイズ比を示す。したがって、測定される試料のラマンシグネチャは通例、より顕著かつ決定的である。 Raman spectroscopy exhibits several advantages over other spectroscopic techniques. The Raman band shows a good signal-to-noise ratio for detection of its fundamental vibration mode. Thus, the Raman signature of the sample being measured is typically more pronounced and deterministic.
水のラマンスペクトルが弱く、目立たない一方で、水の赤外スペクトルは非常に強く、より複雑であることから、水溶液の分析には、ラマン分光法が赤外分光法よりも有用である。有機化学及び無機化学においては、共有結合の存在が固有ラマンシグネチャをもたらす。ラマン分光法セットアップには、物質に入射する適切なレーザ光源と、綿密な試料調製の必要性を最小限にする散乱光子を収集する検出器とのみが必要とされる。ラマン分光法は、単に物質にレーザを当てるに過ぎないことから非破壊的である。ラマン効果は弱いため、ごく僅かな分子濃度の測定を最短時間でもたらすためには、ラマン分光法機器の効率及び最適化が極めて重要である。 While the Raman spectrum of water is weak and unnoticeable, the infrared spectrum of water is very strong and more complex, so Raman spectroscopy is more useful than infrared spectroscopy for the analysis of aqueous solutions. In organic and inorganic chemistry, the presence of a covalent bond results in an intrinsic Raman signature. The Raman spectroscopy setup requires only a suitable laser source incident on the material and a detector that collects scattered photons that minimize the need for careful sample preparation. Raman spectroscopy is non-destructive because it merely irradiates the material with a laser. Since the Raman effect is weak, the efficiency and optimization of the Raman spectroscopic instrument is extremely important in order to produce very low molecular concentration measurements in the shortest possible time.
[自発ラマン分光法]
自発ラマン散乱の強度は、光の入射強度に線形従属するが、桁違いに弱い。光−物質相互作用を量子力学的に扱うことで、全ハミルトニアンを、分子の振動モードH_ν、光の振動モードH_γ、及びそれらの相互作用H_νγに関連するエネルギーに関して、表すことができる:
The intensity of spontaneous Raman scattering is linearly dependent on the incident intensity of light, but is extremely weak. By treating the light-matter interaction quantum mechanically, the total Hamiltonian can be expressed in terms of the energy associated with the molecular vibration mode H_ν, the light vibration mode H_γ, and their interaction H_νγ:
光の生成消滅演算子a^†及びaを用いることで、以下のように場の量子化が得られる:
初期状態|i〉と最終状態|f〉との定常状態遷移速度は、以下のようにフェルミの黄金律に従って与えられる:
各振動準位からのラマン強度を用いて固有振動分子モードを特定し、物質の組成を特性化する。 Using the Raman intensity from each vibration level, the natural vibrational molecular mode is identified and the composition of the material is characterized.
ラマンモードの積分されたアンチストークス強度は、モードの平均振動量子数〈n_ν〉に以下のように比例する:
異なる振動モードと関連する正規化散乱強度を比較することによって、赤外励起後の異なる分子モードにわたるエネルギーの分布を得ることができる。
The integrated anti-Stokes intensity of the Raman mode is proportional to the average vibrational quantum number <n_ν> of the mode as follows:
By comparing the normalized scattering intensities associated with different vibration modes, the energy distribution over different molecular modes after infrared excitation can be obtained.
[誘導ラマン分光法]
誘導ラマン強度は、光子の入射強度に非線形的に依存するが、大きさはあまり変わらない。物質の三次非線形偏光の有限応答時間から生じる光学フォノンによる光子の非弾性散乱が、ラマン散乱に特徴的である。光学物質中を伝搬する単色光が、幾つかの光子が新たな周波数に遷移する自発ラマン散乱をもたらす。散乱光子の偏光は、ポンプビームが直線偏光している場合に平行又は直交であり得る。シフトされた周波数での光子の散乱強度が、これらのシフトされた周波数に既に存在する既存の光子によって増強される場合に、誘導ラマン散乱が生じる。その結果として、誘導ラマン散乱では、ダウンシフト周波数での同時光子は、例えばラマンアンプにおいて利用するか、又は分子分光法において有効に用いることができる利得を得る。
[Induced Raman spectroscopy]
The stimulated Raman intensity depends nonlinearly on the incident intensity of the photon, but the magnitude does not change much. Inelastic scattering of photons by optical phonons resulting from the finite response time of the third-order nonlinear polarization of matter is characteristic of Raman scattering. Monochromatic light propagating in an optical material results in spontaneous Raman scattering in which some photons transition to a new frequency. The polarization of the scattered photons can be parallel or orthogonal when the pump beam is linearly polarized. Stimulated Raman scattering occurs when the scattered intensity of photons at shifted frequencies is enhanced by existing photons already present at these shifted frequencies. As a result, in stimulated Raman scattering, simultaneous photons at the downshift frequency provide gain that can be utilized, for example, in a Raman amplifier or effectively in molecular spectroscopy.
誘導ラマン散乱(SRS)がガラスファイバにおいて観察され、ラマン利得がシングルモードファイバにおいて測定されている。ラマン増幅は、十分に高出力のポンプレーザの入手可能性とともに成熟技術となった。 Stimulated Raman scattering (SRS) has been observed in glass fibers and Raman gain has been measured in single mode fibers. Raman amplification has become a mature technology with the availability of sufficiently high power pump lasers.
古典的電磁フレームワークにおいては、誘導ラマン散乱信号強度は、ポンプ強度及び信号強度:
ストークス波及びポンプ波は空間的及び時間的に重なり、誘導放出を生じるはずである。ラマン過程は物質中の分子の振動モードを伴うため、その強度スペクトルにより物質の組成が決まる。例えば、非晶質の物質中では、振動エネルギー準位が融合して帯を形成する傾向があり、ポンプ周波数は広範囲にわたってストークス周波数と異なる可能性がある。しかしながら、結晶質の物質では、強度ピークは狭い帯幅を有することから、十分に分離される傾向がある。 Stokes and pump waves should overlap in space and time, resulting in stimulated emission. Since the Raman process involves vibration modes of molecules in the material, the composition of the material is determined by its intensity spectrum. For example, in an amorphous material, vibrational energy levels tend to fuse to form a band, and the pump frequency can be different from the Stokes frequency over a wide range. However, in crystalline materials, the intensity peak has a narrow bandwidth and therefore tends to be well separated.
前方ラマン散乱の結合波動方程式としては、ストークス減衰係数α_Sを用いたストークス強度について、
誘導利得が、線形損失(誘導ラマン散乱を開始するために克服しなければならない閾値出力の原因となる)を超える場合に、誘導散乱強度が増大する。前方散乱及び後方散乱が生じる物質系では、散乱波振幅の増大に関与する分子振動が、ビート周波数により推進される。次に、波振幅の増大により、誘導ラマン散乱効果をもたらす正のフィードバックループの一環として分子振動が増強する。前方散乱過程については、ポンプ減衰項を除去すると、以下のようになる:
この方程式を解くことで、I_P(z)=I_0 e^(−α_P z)が得られ、誘導ストークス散乱強度
[共鳴ラマン分光法]
古典的ラマン分光法におけるラマン効果は、入射光の周波数のみに依存し、先に論考したように散乱強度はν_0^4に依存する。分子吸収遷移の振動モードが入射光のエネルギーと正確に一致する場合、観察される散乱強度は、約ν_0^6と同じ強度となる可能性がある。この共鳴ラマン効果により、複雑な物質媒体中の分子種(生体膜に埋め込まれたタンパク質中の発色基等)の高感度の分光学的識別が可能となる。
[Resonance Raman spectroscopy]
The Raman effect in classical Raman spectroscopy depends only on the frequency of the incident light, and as discussed above, the scattering intensity depends on
共鳴ラマン分光法では、ごく一部の分子振動モードしか増強されない。最も簡単なシナリオでは、ただ1つの電子状態しか共鳴性でない。このケースでは、共鳴性ラマン信号は、共鳴が入射光によって誘導される場合に、分子が基底状態と励起状態との間を遷移する間の、分子の歪みによって生じる核運動の結果である。 In resonance Raman spectroscopy, only a few molecular vibration modes are enhanced. In the simplest scenario, only one electronic state is resonant. In this case, the resonant Raman signal is the result of nuclear motion caused by molecular distortion while the molecule transitions between ground and excited states when resonance is induced by incident light.
殆どの生体発色基の機能構成要素は、共鳴ラマン分光法が選択的に感受性を示す特定の電子遷移により共役した原子からなる。測定される共鳴ラマン帯の周波数により、共鳴の誘導に用いられる遷移に関与する電子状態の振動構造に関する情報が得られる。散乱強度は、電子遷移によるモード結合の性質に関する情報を与える。 The functional component of most biochromophoric groups consists of atoms conjugated by specific electronic transitions that are selectively sensitive to resonance Raman spectroscopy. Information about the vibration structure of the electronic state involved in the transition used for the induction of resonance is obtained by the frequency of the resonance Raman band to be measured. Scattering intensity gives information on the nature of mode coupling due to electronic transitions.
[渦光(Vortex Light)におけるラマン効果]
周波数ν_0及び強度I_0の平面偏光入射光に供されたバイブロニック状態mの分子が、新たなバイブロニック状態nへと摂動される。この相互作用により、光の周波数がν_mn=ν_m−ν_nだけシフトし、立体角4πにかけて周波数ν_0+ν_mnで散乱する。mからnへの遷移時の散乱強度は、
A molecule in the vibronic state m subjected to plane-polarized incident light of frequency ν_0 and intensity I_0 is perturbed to a new vibronic state n. Due to this interaction, the frequency of light is shifted by ν_mn = ν_m−ν_n and scattered at a frequency ν_0 + ν_mn over a solid angle of 4π. The scattering intensity at the transition from m to n is
電場強度
テンソルA_mnの2項成分(dyadic components)に関して表される
ここで、(M_l)_rn(M_σ)_mrは、単位ベクトル
したがって、全散乱強度は、励起光の偏光状態に依存する。
最後に、1分子当たりのm→nの電子遷移について、散乱放射の平均全強度は、以下のように得られる:
[渦光を用いたラマン効果の選択規則]
近軸近似におけるマクスウェルの方程式の特定の解集合が、渦光を用いたラマン効果の研究にとって興味深い。ラゲール−ガウス関数により、渦光のビームを一般化ラゲール多項式
A particular solution set of Maxwell's equations in the paraxial approximation is interesting for studying the Raman effect using vortex light. Generalized Laguerre polynomial for vortex beam by Laguerre-Gauss function
異なる物質の固有OAMラマンシグネチャを測定するために一連の選択規則を定める、以下の一般化フレームワークを、誘導ラマン分光法及び自発ラマン分光法の両方と関連付けられた強度プロファイルに適用する。 The following generalized framework that defines a set of selection rules to measure the unique OAM Raman signatures of different materials is applied to the intensity profiles associated with both stimulated and spontaneous Raman spectroscopy.
A_(l,p)のゼロになることのない行列要素を確実にするために必要とされるフォノン、入射光子及び散乱光子の既約表現Γ_α、Γ_ρ及びΓ_σにおける関係式は、
ラマン散乱過程における光と物質との相互作用では光子の軌道角運動量は非摂動のままであるため、入射光子及び散乱光子を以下のそれぞれの形で表すことができる:
結晶性の物質については、前方散乱の特別な場合に3×3のラマンテンソルが2×2に減少する。この場合、l≧2の励起についてのラマンテンソルは全て同じ形である。そのため、対称性考慮により、l依存性はl≧2についてゼロになる。定数a、b、c、d及びeがl及び結晶の対称性に依存するため、ゼロでないOAMによりl≧2の光子励起についてΓ2フォノンが得られ、l≧1の光子励起についてΓ3フォノンの2つのラマンテンソルが分離する。 For crystalline materials, the 3 × 3 Raman tensor is reduced to 2 × 2 in the special case of forward scattering. In this case, the Raman tensors for l ≧ 2 excitation are all of the same form. Thus, due to symmetry considerations, the l dependence is zero for l ≧ 2. Since the constants a, b, c, d and e depend on l and crystal symmetry, non-zero OAM yields Γ 2 phonons for l ≧ 2 photon excitation and Γ 3 phonons for l ≧ 1 photon excitation. The two Raman tensors are separated.
OAMラマン分光法は、結晶性の物質の原子及び分子の組成を特性化する能力を示す。自身の固有な原子対称性及び分子対称性を示すキラル物質のOAMラマンシグネチャを完全に得るためには、より複雑な選択規則が必要とされる。 OAM Raman spectroscopy demonstrates the ability to characterize the atomic and molecular composition of crystalline materials. More complex selection rules are needed to obtain a complete OAM Raman signature of chiral materials that exhibit their own atomic and molecular symmetry.
例えば、高対称性の結晶性物質の場合では、このアプローチは幾らか簡単である。周期格子ポテンシャルを考えると、結晶固体中の電子はブロッホ波として、
h_(e,S)^α、Q_α及びΔE_esが結晶の特性のみに依存し、lには依存しないため、渦光を用いる場合にはMのみが散乱強度に影響を与える。続いて、電子波動関数及びlは、結晶固体との渦光の相互作用によるラマン効果についてのM(l=0)に関してΜ(l≠0)の相対値として残る。 Since h_ (e, S) ^ α, Q_α, and ΔE_es depend only on the characteristics of the crystal and not l, only M influences the scattering intensity when using vortex light. Subsequently, the electron wave function and l remain as relative values of Μ (l ≠ 0) with respect to M (l = 0) for the Raman effect due to the interaction of vortex light with the crystalline solid.
ラマン散乱強度増大は、例えば閃亜鉛鉱結晶の場合のように適切なlの値を選択することによって特定することができ、上記に提示したアプローチを用いた対称性考慮に基づくl=30についての最大値が報告されている。実際には、渦光を発生させるレーザの集束は、通常のラマン散乱測定における集束光へのその類似性を考えると、Mの強度増大に殆ど影響を及ぼさない。 The Raman scattering intensity increase can be identified by choosing an appropriate value of l, for example in the case of zinc blende crystals, for l = 30 based on symmetry considerations using the approach presented above. The maximum value is reported. In practice, the focusing of the laser that generates the vortex light has little effect on the increase in intensity of M, given its similarity to the focused light in normal Raman scattering measurements.
[偏光ラマン分光法]
分子の分極率が試料中の分子の分布に関して空間的に異なると仮定すると、平面偏光ラマン源を用いて、結晶の原子構造、並びに、高分子フィルム、結晶及び液晶の分子構造を特性化することができる。
[Polarized Raman spectroscopy]
Assuming that the polarizabilities of the molecules are spatially different with respect to the distribution of molecules in the sample, characterize the atomic structure of the crystal and the molecular structure of the polymer film, crystal and liquid crystal using a plane polarized Raman source. Can do.
ここで図69を参照すると、偏光ラマン法は、レーザ光源6902の偏光状態に対して平行(‖)又は垂直(⊥)のいずれかに配向した、試料6904と分光計6908との間の偏光子6906を含む。同様に、試料に入射する偏光の適切な状態を選択するために、偏光光学系6910をレーザ6902と試料6904との間に挿入してもよい。
Referring now to FIG. 69, the polarization Raman method is a polarizer between
分子における結合振動の対称特性は、偏光ラマン分光法によって特定の強度ピークの偏光減少度ρを評価することで以下のように特性化される:
図70に示すように、偏光ラマン分光法7002によって得られる情報は、非偏光ラマン分光法7004によって得られる原子及び分子の情報を補足するために用いることができる。偏光ラマン効果及び非偏光ラマン効果の両方を活用する単一積分分光法ユニット7006は、複数のタイプの分光分析を用いた試料からのデータを分光学的に処理することによって得られる情報の全体的な品質及び量を改善する統合結果処理7008を用いる。
As shown in FIG. 70, the information obtained by
[光渦を用いたラマン分光法]
典型的なラマン源は、z方向に流れる電場
A typical Raman source is an electric field flowing in the z direction
分子に入射するz方向に沿った縦モードでは、P_zを含む分子の分極率を完全に描写する光が散乱される。z成分を有する電場は、以下のような偏光ベクトルを有するラジアル偏光ビームである:
強く集束した場合に縦成分を有するラジアル偏光場を生成する幾つかの方法が存在する。ラマン分光法では、誘起双極子モーメントPzはEzの結果である(これまで従来のラマン分光法では観察されていない新たな振動モードを生成するだけでなく、振動モードの強度を増大し得るもの)。図71に示すように、光渦が与えられたラマンビーム7102によって得られた情報は、複合分析7108において偏光ラマン分光法7104及び非偏光ラマン分光法7106と併せて三次的な分光能力を追加する。かかるラマン分光法は、OAMを搬送する入射光子と併せても奏功し得る。
There are several ways to generate a radial polarization field with a longitudinal component when strongly focused. In Raman spectroscopy, the induced dipole moment P z is a result of E z (not only generates new vibration modes that have not been observed so far in conventional Raman spectroscopy, but can also increase the intensity of the vibration modes. thing). As shown in FIG. 71, the information obtained by the
[THz分光法]
テラヘルツ分光法は、電磁スペクトルの遠赤外周波数範囲(図61)において行われ、したがって分子における遠赤外振動モードの特定に有用である。THz分光法は、明るい光源及び高感度の検出器の使用のために、遠赤外分光法よりも高い信号対ノイズ比及び広いダイナミックレンジをもたらすことができる。これにより、IR分光法では有効でない、一般に生物学的過程及び化学過程において生じる弱い分子間及び分子内振動モードの選択的検出がもたらされる。THz分光法は、OAMを搬送する入射光子と併せて用いることもできる。テラヘルツ波は、可視及び近赤外スペクトルで不透明な媒質を通過し、水性環境によって強く吸収される(図72を参照されたい)。
[THz spectroscopy]
Terahertz spectroscopy is performed in the far-infrared frequency range of the electromagnetic spectrum (FIG. 61) and is therefore useful for identifying far-infrared vibration modes in molecules. THz spectroscopy can provide a higher signal-to-noise ratio and a wider dynamic range than far-infrared spectroscopy due to the use of bright light sources and sensitive detectors. This results in the selective detection of weak intermolecular and intramolecular vibrational modes that are not effective in IR spectroscopy, generally occurring in biological and chemical processes. THz spectroscopy can also be used in conjunction with incident photons carrying the OAM. Terahertz waves pass through opaque media in the visible and near infrared spectrum and are strongly absorbed by the aqueous environment (see FIG. 72).
THz分光法では、適切に高出力の光源がないことが歴史的に障害であった。しかしながら、遠赤外範囲で実用的なTHz分光法の利用が、ピコ秒及びフェムト秒レーザパルスに基づくTHz線の生成により可能となった。今日、THz光源は、広範囲の有効出力(ナノワットから10ワット)を有する短パルスモード(例えば、光伝導アンテナ、光学整流器)又は連続波(CW)モードを含む。 In THz spectroscopy, there has historically been an obstacle to the lack of a suitably high power light source. However, the practical use of THz spectroscopy in the far-infrared range has been made possible by the generation of THz lines based on picosecond and femtosecond laser pulses. Today, THz light sources include short pulse modes (eg photoconductive antennas, optical rectifiers) or continuous wave (CW) modes with a wide range of effective power (nanowatts to 10 watts).
幾つかの異なるタイプのTHz光源が今日、生物学的過程、化学過程及び固体状態過程を調べるために用いられている。1THz〜3.5THz範囲の光源が、例えば生物学及び医学において分子構造変化を調査するために頻繁に用いられている。THz分光法は今日、ラマン分光法と同じくらい頻繁に用いられている。 Several different types of THz light sources are used today to investigate biological, chemical and solid state processes. Light sources in the 1 THz to 3.5 THz range are frequently used to investigate molecular structural changes, for example in biology and medicine. THz spectroscopy is used today as often as Raman spectroscopy.
[テラヘルツ時間領域分光法]
テラヘルツ時間領域分光法(THz−TDS)が、フェムト秒レーザによってもたらされるような単一サイクルTHzパルスのコヒーレント発光を含む、最も広く用いられているTHz法の1つである。これらのパルスの検出は、約100MHzの繰返し数で行われる。
[Terahertz time domain spectroscopy]
Terahertz time domain spectroscopy (THz-TDS) is one of the most widely used THz methods, including coherent emission of single cycle THz pulses as provided by femtosecond lasers. These pulses are detected at a repetition rate of about 100 MHz.
試料の二次元THz吸収特性がTHzイメージング法によって特性化される。この技法は、ピコ秒パルスに基づくTHz−TDSについて設計されたシステム、及びTHz波パラメトリック振動子、量子カスケードレーザ又は光ポンピングテラヘルツレーザ等の連続波(CW)光源を利用するシステムにおいて実証されている。THz分光法は、OAMを搬送する入射光子と併せて用いることができる。 The two-dimensional THz absorption characteristics of the sample are characterized by the THz imaging method. This technique has been demonstrated in systems designed for THz-TDS based on picosecond pulses and systems utilizing continuous wave (CW) light sources such as THz wave parametric oscillators, quantum cascade lasers or optically pumped terahertz lasers. . THz spectroscopy can be used in conjunction with incident photons carrying the OAM.
THzパルスイメージングは、0.1THz〜5THzで広範な画像周波数情報を与えるが、THz CWイメージングはリアルタイムで行うことができ、周波数に感受性があり、顕著に高いスペクトルパワー密度のためにより高いダイナミックレンジを有する。パルスTHzイメージング及びCW THzイメージングのどちらにおいても、光源の特徴(コヒーレンス、出力及び安定性)が重要である。THz分光計は、試料を二次元で機械的に走査することができるが、各走査時間は試料サイズに対応する。リアルタイムTHzイメージングは、電気光学結晶又は焦電式カメラから構成されるTHz波検出器のアレイを用いて行われることが多い。かかるTHz分光法は、OAMを搬送する入射光子と併せて用いることができる。 THz pulse imaging provides a wide range of image frequency information from 0.1 THz to 5 THz, while THz CW imaging can be performed in real time, is frequency sensitive and has a higher dynamic range due to significantly higher spectral power density. Have. In both pulsed THz imaging and CW THz imaging, the characteristics of the light source (coherence, power and stability) are important. A THz spectrometer can mechanically scan a sample in two dimensions, with each scan time corresponding to the sample size. Real-time THz imaging is often performed using an array of THz wave detectors composed of electro-optic crystals or pyroelectric cameras. Such THz spectroscopy can be used in conjunction with incident photons carrying the OAM.
THzイメージングには、1ミリメートル未満の回折限界に関して推定されるような低分解能、及び低感度をもたらすアパーチャを介した低透過率の問題がある。回折限界を超えるためには、サブ波長分解能を達成する近視野顕微鏡法が用いられるが、低透過率が問題として残っている。 THz imaging has the problem of low transmission through apertures that result in low resolution and low sensitivity as estimated for diffraction limits below 1 millimeter. To exceed the diffraction limit, near-field microscopy that achieves subwavelength resolution is used, but low transmittance remains a problem.
[蛍光分光法]
入射光によって摂動されることで、室温で分子中の電子が電子基底状態の最低振動エネルギー準位7302から第1の(S_1)振動状態7304又は第2の(S_2)振動状態7306まで励起され(図73)、幾つかの振動副準位のいずれか1つを占有する可能性がある。各々の振動副準位は、隣接する多くの回転エネルギー準位を有するので、副準位間のエネルギー遷移が殆ど区別不能となるほど接近している。その結果として、殆どの分子化合物が広い吸収スペクトルを有する(ただし、無視できる回転特性を有するもの(平面化合物及び芳香族化合物等)を除く)。
[Fluorescence spectroscopy]
By being perturbed by incident light, the electrons in the molecule are excited from the lowest
蛍光分光法では、分子は入射光子からエネルギーを吸収し、励起状態のより高い振動エネルギー副準位(S_1又はS_2)を得た後、衝突により過剰な振動エネルギーを失い、励起状態の最低振動副準位に戻る。S_2を超える電子状態を占有する殆どの分子が、衝突による準位落下および内部転換を受け、上位の状態の最低振動エネルギー副準位から、同じエネルギーを有するより低い励起状態のより高い振動副準位に至る。電子は、S_1の最低振動エネルギー副準位7308を占有するまでエネルギーを失い続ける。基底状態の任意の振動エネルギー副準位までの分子の準位落下は、蛍光光子の発光を引き起こす。 In fluorescence spectroscopy, the molecule absorbs energy from incident photons, obtains a higher vibrational energy sublevel (S_1 or S_2) in the excited state, and then loses excess vibrational energy due to collision, resulting in the lowest vibrational sublevel in the excited state. Return to level. Most molecules occupying electronic states above S_2 have undergone a level drop and internal conversion due to collision, and from the lowest vibrational energy sublevel of the upper state, the higher vibrational sublevel of the lower excited state having the same energy. It reaches the rank. The electrons continue to lose energy until they occupy the lowest vibrational energy sublevel 7308 of S_1. A molecular level drop to any vibrational energy sublevel in the ground state causes the emission of fluorescent photons.
吸収過程及び発光過程がこのシーケンスとは異なる場合、量子効率は1よりも小さい。最低振動基底状態副準位から最低振動S_1副準位7308までの「0−0」遷移は、吸収現象及び発光現象の両方に共通するが、他の全ての吸収遷移は、蛍光発光におけるいかなる遷移よりも多くのエネルギーによってのみ生じる。発光スペクトルは続いて、この「0−0」遷移に対応する入射光子周波数で吸収スペクトルと重なり、発光スペクトルの残りはより少ないエネルギーを有し、より低い周波数で同等に生じる。分子と周囲の溶媒分子との相互作用による僅かなエネルギーの損失を考えると、吸収スペクトル及び発光スペクトルにおける「0−0」遷移が厳密に一致することは稀である。
If the absorption and emission processes are different from this sequence, the quantum efficiency is less than 1. The “0-0” transition from the lowest vibrational ground state sublevel to the lowest
したがって、S_1及びS_2における振動副準位の分布は、入射光子エネルギーが分子の形状に実質的に影響を及ぼさないことから非常によく似ている。発光スペクトルにおける帯間のエネルギー差は吸収スペクトルと同様であり、発光スペクトルが殆ど吸収スペクトルの鏡像であることが多い。蛍光光子の発光は常にS_1の最低振動エネルギー副準位から生じるので、入射光子周波数が入射放射線の周波数からシフトするにも関わらず、発光スペクトルの形状は常に同じである。周波数がシフトしても励起を生じる入射放射線の強度が一定のままである場合、発光スペクトルは補正された励起スペクトルであると考えられる。 Therefore, the vibrational sub-level distributions in S_1 and S_2 are very similar since the incident photon energy does not substantially affect the shape of the molecule. The energy difference between bands in the emission spectrum is the same as that in the absorption spectrum, and the emission spectrum is often a mirror image of the absorption spectrum. Since the emission of fluorescent photons always occurs from the lowest vibrational energy sublevel of S_1, the shape of the emission spectrum is always the same despite the shift of the incident photon frequency from the frequency of the incident radiation. If the intensity of the incident radiation that produces excitation remains constant even when the frequency is shifted, the emission spectrum is considered to be a corrected excitation spectrum.
殆どの複合分子の量子効率は入射光子の周波数とは独立しており、発光は化合物の分子吸光係数と直接的に相関する。言い換えると、物質の補正された励起スペクトルはその吸収スペクトルと同じとなる。蛍光発光の強度は、入射放射線強度に正比例する。 The quantum efficiency of most complex molecules is independent of the frequency of the incident photons, and the emission directly correlates with the molecular extinction coefficient of the compound. In other words, the corrected excitation spectrum of the substance is the same as its absorption spectrum. The intensity of the fluorescence emission is directly proportional to the incident radiation intensity.
蛍光分光法は、発光スペクトル及び励起スペクトルを生じる。発光透視法(emission fluoroscopy)では、励起用放射が固定波長に保持され、放出蛍光強度が発光波長の関数として測定される。励起透視法では、発光波長が固定して保持され、蛍光強度が励起用波長の関数として測定される。このタイプの蛍光分光法を、OAMを搬送する入射光子と併せて用いることもできる。発光スペクトル及び励起スペクトルを合わせることで、取り調べ対象の物質のスペクトルマップが得られる。対象の物質が多くの蛍光体を含有する場合もあり、吸収スペクトル及び発光スペクトル(トリプトファン、エラスチン、コラーゲン、ニコチンアミド、アデニンジヌクレオチド(NADH)及びフラビンのもの)について図74A及び図74Bに示すように、異なる分子を調べるために異なる励起用波長が必要とされる。 Fluorescence spectroscopy produces an emission spectrum and an excitation spectrum. In emission fluoroscopy, the excitation radiation is held at a fixed wavelength and the emitted fluorescence intensity is measured as a function of the emission wavelength. In excitation fluoroscopy, the emission wavelength is held fixed and the fluorescence intensity is measured as a function of the excitation wavelength. This type of fluorescence spectroscopy can also be used in conjunction with incident photons carrying the OAM. By combining the emission spectrum and the excitation spectrum, a spectrum map of the substance to be investigated can be obtained. The target substance may contain many phosphors, and the absorption spectrum and emission spectrum (for tryptophan, elastin, collagen, nicotinamide, adenine dinucleotide (NADH) and flavin) are as shown in FIGS. 74A and 74B. In addition, different excitation wavelengths are required to study different molecules.
蛍光分光計では、連続可変干渉フィルタ又はモノクロメータのいずれかを用いて、試料から放出された光のスペクトル分布(蛍光発光スペクトル)が分析される。より洗練された分光計に使用されるモノクロメータでは、励起用放射が選択され、試料の発光スペクトルが分析される。かかる機器では、励起用波長(蛍光励起用スペクトル)により発光強度の変動を測定することも可能である。 In a fluorescence spectrometer, the spectral distribution (fluorescence emission spectrum) of light emitted from a sample is analyzed using either a continuously variable interference filter or a monochromator. In monochromators used in more sophisticated spectrometers, excitation radiation is selected and the emission spectrum of the sample is analyzed. With such an instrument, it is also possible to measure fluctuations in emission intensity by the excitation wavelength (fluorescence excitation spectrum).
同等の吸収法と比較した蛍光分光法の利点の1つは、キュベットの僅かな中央領域のみが検出器により調べられる単純な蛍光光度計の幾何学的構成のために、精度を相当に損失することなしに、試料を精密キュベットではなく単純な試験管に入れることができることである。したがって、キュベットの全体サイズはそれほど重要でない。 One of the advantages of fluorescence spectroscopy compared to equivalent absorption methods is the considerable loss of accuracy due to the simple fluorometer geometry in which only a small central area of the cuvette is examined by the detector. Without exception, the sample can be placed in a simple test tube rather than a precision cuvette. Therefore, the overall size of the cuvette is not so important.
蛍光分光法の感度は、測定される試料の特性に大きく左右され、通例、殆どの物質について十億分率又は一兆分率で測定される。この著しい感度により、非常に小さな試料サイズの蛍光物質(例えば、クロロフィル及び芳香族炭化水素)の信頼性の高い検出が可能となる。 The sensitivity of fluorescence spectroscopy is highly dependent on the properties of the sample being measured and is typically measured in parts per billion or trillions for most materials. This significant sensitivity allows for reliable detection of very small sample size fluorescent materials (eg, chlorophyll and aromatic hydrocarbons).
光を吸収又は放出する(蛍光を発する)物質はほとんどなく、標的物質中の化合物と同じ周波数で放出することが殆どないことから、蛍光分光法は極めて特異的であり、干渉の影響が少ない。 Fluorescence spectroscopy is very specific and less susceptible to interference because there is little material that absorbs or emits light (fluoresces) and rarely emits at the same frequency as the compound in the target material.
蛍光測定は、広い周波数範囲にわたる試料濃度に直接対応し、試料の希釈又は試料セルの変更なしに、最大約6桁(one six orders of magnitude)の濃度範囲にわたって行うことができる。付加的に、透視法の感度及び特異性により、コスト及び時間のかかる試料調製手順の必要性が低減又は排除されるため、分析が迅速化される。全体として、透視法は、その高い感度(小さな試料サイズ要件)のために低コストの物質特定法である。 Fluorescence measurements directly correspond to sample concentrations over a wide frequency range and can be performed over a concentration range of up to about six orders of magnitude without sample dilution or sample cell changes. Additionally, the sensitivity and specificity of fluoroscopy speeds up the analysis by reducing or eliminating the need for costly and time consuming sample preparation procedures. Overall, fluoroscopy is a low-cost material identification method because of its high sensitivity (small sample size requirements).
[ポンプ−プローブ分光法]
ポンプ−プローブ分光法は超高速現象を研究するために用いられ、ポンプビームパルスが試料の原子及び分子構成要素を摂動し、プローブビームパルスを用いて、調整可能な時間後に摂動された試料を調べる。この光学技法は一種の過渡分光法であり、光化学的又は光物理的に関連した分子の一時的な過渡状態の電子特性及び構造特性を調査することができる。生じる励起状態は、プローブビームに関係した特性(反射性、吸収、発光及びラマン散乱特性を含む)をモニタリングすることによって検査される。フェムト秒〜ピコ秒の時間枠で生じる電子変化及び構造変化を、この技法を用いて研究することができる。
[Pump-probe spectroscopy]
Pump-probe spectroscopy is used to study ultrafast phenomena, where the pump beam pulse perturbs the atomic and molecular components of the sample and the probe beam pulse is used to examine the perturbed sample after an adjustable time . This optical technique is a type of transient spectroscopy that can investigate the electronic and structural properties of transient transient states of photochemically or photophysically related molecules. The resulting excited state is examined by monitoring properties related to the probe beam, including reflectivity, absorption, emission and Raman scattering properties. Electronic and structural changes that occur in the femtosecond to picosecond timeframe can be studied using this technique.
概して、ポンプ誘導状態は、分子の、より高エネルギーの形態である。これらのより高エネルギーの分子形態は、電子及び/又は核の再分配を含め、最低基底状態エネルギー状態とは異なる。 In general, the pump-induced state is a higher energy form of the molecule. These higher energy molecular forms differ from the lowest ground state energy states, including electron and / or nuclear redistribution.
基本ポンププローブ構成を図75に概略的に示す。レーザ7502によって生成するパルストレインは、ビームスプリッタ7504を用いてポンプパルス7506とプローブパルス7508とに分割される。ポンプパルス7506は、試料7510中の原子及び分子と相互作用する。プローブパルス7508は、短時間(パルストレインとプローブパルストレインとの間)後に試料中に生じる変化をプローブするために用いられる。光学的遅延ラインによりパルストレイン間の遅延時間を変化させることによって、プローブビームの吸収スペクトル、反射性、ラマン散乱及び発光を、試料のポンプパルストレインによって生じる変化を検出器7512で研究することで取得することができる。プローブトレイン7508を相対時間遅延の関数としてモニタリングすることによって、ポンプ誘導励起の準位落下に関する情報を得ることが可能である。プローブトレイン7508は通例、多くのパルスで平均化され、高速光検出器7512は必要とされない。ポンプ−プローブ分光法における測定の時間分解能は、各トレインのパルス幅によってのみ制限される。概して、タイミングの不確実性は、ポンプトレインによって誘導される構造又は電子的過程の時間スケールよりも小さくする必要がある。
A basic pump probe configuration is shown schematically in FIG. A pulse train generated by the
2色ポンプ−プローブ分光法では、ポンプビーム7506及びプローブビーム7508は、同期した2つの光源によって発生する、互いに異なる波長を有する。この技法は超高速分光法において付加的な能力をもたらすが、非常に小さな相対タイミングジッタを有する正確な光源の同期を確実にすることが不可欠である。
In two-color pump-probe spectroscopy, the
自発ラマン散乱強度と比較して、ポンプ−プローブラマン分光技法によってもたらされる散乱強度は、図76に示すように、異なるポンプ及びプローブ周波数Ω及びωにより大きく増強することができる。ポンプビームの周波数を変化させるが、プローブビームの周波数は固定する。ポンプビームはラマン発光を誘導するために用いられ、プローブビームはラマンモードを明らかにするのに役立つ。ポンプビーム及びプローブビームの両方がラマン活性媒質を共線的に通り抜ける。ポンプ周波数とプローブ周波数との差異が媒質のラマン振動モード周波数νと一致する場合、弱い自発ラマン光がポンプ光子束のために数桁(10〜104)増幅する。利得は図76に示すように達成される。 Compared to the spontaneous Raman scattering intensity, the scattering intensity provided by the pump-probe Raman spectroscopy technique can be greatly enhanced by different pump and probe frequencies Ω and ω, as shown in FIG. The frequency of the pump beam is changed, but the frequency of the probe beam is fixed. The pump beam is used to induce Raman emission, and the probe beam serves to reveal the Raman mode. Both the pump beam and the probe beam pass collinearly through the Raman active medium. When the difference between the pump frequency and the probe frequency matches the Raman vibration mode frequency ν of the medium, weak spontaneous Raman light is amplified by several digits (10 to 10 4 ) due to the pump photon flux. Gain is achieved as shown in FIG.
ポンプビームは、基本的には広範な試料中で様々な摂動励起をもたらすように設計される。したがって、ポンプ−プローブ分光法は、軌道角運動量が与えられたポンプビームの使用を含む他の分光技法の状況下での使用に適用可能であり、これは次章で論考する。 The pump beam is basically designed to provide various perturbation excitations in a wide range of samples. Thus, pump-probe spectroscopy is applicable for use in the context of other spectroscopic techniques, including the use of pump beams provided with orbital angular momentum, which will be discussed in the next section.
[軌道角運動量(OAM)分光法]
キラル光学は従来、円偏光を伴うものであった。これにおいて、平面偏光状態は、互いに逆となる旋進性を有する複数の円偏光の重ね合わせとして理解される。円偏光の右及び左の旋進性は、偏光に加えて、そのスピン角運動量(SAM)、±hを示し、関連付けられた電磁場ベクトルのヘリシティを用いることができる。物質とのその相互作用は鏡像異性的に特異的である。併用技法は、様々な物質について特異的なシグネチャを有する。
[Orbital angular momentum (OAM) spectroscopy]
Chiral optics has traditionally been accompanied by circularly polarized light. In this context, the plane polarization state is understood as a superposition of a plurality of circularly polarized lights having rotational properties opposite to each other. The right and left rotational properties of circularly polarized light indicate its spin angular momentum (SAM), ± h, in addition to polarized light, and the associated electromagnetic field vector helicity can be used. Its interaction with the substance is enantiomerically specific. Combination techniques have specific signatures for various substances.
本明細書で上記により詳しく説明されるように、光のビーム中に生じる光渦は、電磁場の波面表面にヘリシティを導入し、関連付けられた角運動量が「軌道」とみなされる。光子放射の軌道角運動量(OAM)は、ビームの「ねじれ」又は「ヘリカル」特性と呼ばれることが多い。OAMが与えられた光と物質との相互作用の殆どの研究が、アキラル分子を対象とする。 As described in more detail herein above, the optical vortex that occurs in the beam of light introduces helicity into the wavefront surface of the electromagnetic field, and the associated angular momentum is considered the “orbit”. The orbital angular momentum (OAM) of photon radiation is often referred to as the “twisted” or “helical” property of the beam. Most studies of the interaction between light and matter given OAM are directed to achiral molecules.
空間的な広がりで巨視的であり得る、ブロッホフレームワークの包絡波動関数に関連付けられた固体物質中の非局在化OAMは、原子に関連付けられた局所OAMと区別することができる。後者は電子状態のランデのg因子及び有効スピン部分に関連付けられ、前者は軌道コヒーレントシステム(例えば、量子ホール層、超電導体及びトポロジカル絶縁体)の対象である。これらの技法の開発は、キラル電子状態の散乱及び量子コヒーレンスの理解を改善する機会を示し、物質の発見及び量子情報に対する潜在的な示唆を有する。この目的で、誘電体を用いるもののようなOAM−物質相互作用を説明する理論構成が有用である。 Delocalized OAMs in solid materials associated with Bloch framework envelope wave functions, which can be macroscopic in spatial extent, can be distinguished from local OAMs associated with atoms. The latter is associated with the Lande g-factor and the effective spin portion of the electronic state, while the former is the subject of orbital coherent systems (eg, quantum Hall layers, superconductors and topological insulators). The development of these techniques presents opportunities to improve the understanding of scattering and quantum coherence of chiral electronic states and has potential implications for material discovery and quantum information. For this purpose, a theoretical configuration describing OAM-material interactions such as those using dielectrics is useful.
OAMが与えられた光のビームは、LGビームを使用する時間分解ポンプ−プローブスキームを用いて、固体中でこのような非局在化OAM状態を誘導するために使用されており、バルクnドープGaAs(3×1016cm−3のSi)及び非ドープGaAs(5Kでクライオスタット内に保持される)のOAMに感受性のある二色性が利用される。この方法を用いることで、電子の「渦巻」を誘導し、時間遅延プローブビーム(そのOAM成分が平衡フォトダイオードブリッジにおいて検出される)により測定した。研究により、時間分解OAM減衰速度(ピコ秒〜ナノ秒)がドーピングに依存し、スピン寿命及びポピュレーション寿命とは異なり、M. A. NoyanおよびJ. M. Kikkawaによる「Time-resolved orbital angular momentum spectroscopy」(Appl. Phys. Lett. 107 032406 (2015))(その全体が参照により本明細書に援用される)に記載されるような予想よりも長いことが実証される。 The beam of light provided with OAM has been used to induce such delocalized OAM states in solids using a time-resolved pump-probe scheme using LG beams, and bulk n-doped. Dichroism sensitive to OAM of GaAs (3 × 10 16 cm −3 Si) and undoped GaAs (held in the cryostat at 5K) is utilized. Using this method, an electronic “vortex” was induced and measured by a time-delayed probe beam (its OAM component detected at a balanced photodiode bridge). Research has shown that time-resolved OAM decay rates (picoseconds to nanoseconds) depend on doping, and differ from spin and population lifetimes, and “Time-resolved orbital angular momentum spectroscopy” by MA Noyan and JM Kikkawa (Appl. Phys Lett. 107 032406 (2015)), which is incorporated by reference herein in its entirety, is demonstrated to be longer than expected.
単純なポンプ−プローブOAM分光機器を図77に概略的に示すが、OAMポンプビーム7702は、ある周波数ν_lでl=+1とl=−1との間を循環するl=±1のラゲール−ガウスビームである。ポンプビーム7702は試料7704中の標的分子を摂動し、生じる摂動を調べるために直接的プローブビーム7406が用いられる。試料は結晶性固体、非晶質固体、液体、生体又は無機物とすることができる。
A simple pump-probe OAM spectrometer is shown schematically in FIG. 77, where an
OAMを示す光(運動量の方位付けられた光子流)とキラル分子との相互作用は、幾つかの最近の理論報告及び実験報告の題材である。一方では、相互作用の強さは無視できると推測されているが、他方では、かかる相互作用が存在するだけでなく、従来の旋光性測定実験(溶液に入射する直線偏光の方向が溶液自体の或る角度特性によって回転する)において生じる相互作用よりも強い可能性がある。幾つかの限定的な実験的研究から、前者の研究の理論部分が正しく、かかる相互作用は無視できると示唆されている。 The interaction of chiral molecules with light indicative of OAM (momentum-oriented photon flow) is the subject of several recent theoretical and experimental reports. On the one hand, it is speculated that the strength of the interaction is negligible, but on the other hand, not only such an interaction exists, but also the conventional optical rotation measurement experiment (the direction of linearly polarized light incident on the solution is the direction of the solution itself). It may be stronger than the interaction that occurs in (rotates with certain angular characteristics). Several limited experimental studies suggest that the theoretical part of the former study is correct and that this interaction is negligible.
それにもかかわらず、OAMが与えられた光学ビームを用いる様々な光−物質相互作用が、分光法(光ファイバにおける音響モードと光子モードとの間のOAMの伝達、OAMが与えられたラマンサイドバンドの生成、及び光学OAM「ピンセット」を用いたコロイド粒子の操作、を含む)において広範な可能性を示す。 Nevertheless, various light-matter interactions using an OAM-provided optical beam can result in spectroscopic (OAM transmission between acoustic and photon modes in an optical fiber, Raman sideband with OAM. And the manipulation of colloidal particles using optical OAM “tweezers”).
[キラル分子のOAM分光法]
様々な濃度のグルコースの短い光路長を移動する、様々な整数方位角次数lのラゲール−ガウス(LG)ビームを用いた最近の実験から、測定可能なOAM光−物質相互作用の存在を示唆する研究の理論部分が支持される。これらの実験から、相互作用が存在するだけでなく、相互作用が旋光性測定を用いた場合よりも強く見えることが示唆される。これは、直線状態の偏光の測定可能な摂動を得るために従来の旋光性測定研究において一般に必要とされる光路長(10cm超)よりも、非常に短い光路長(1cm〜3cm)でOAMビームの摂動が生じることからである。
[OAM spectroscopy of chiral molecules]
Recent experiments with various integer azimuthal degree l Laguerre-Gaussian (LG) beams moving through short optical path lengths of various concentrations of glucose suggest the existence of measurable OAM light-matter interactions. The theoretical part of the research is supported. These experiments suggest that not only is the interaction present, but the interaction appears stronger than with optical rotation measurements. This is because the OAM beam has a much shorter path length (1 cm to 3 cm) than the path length (greater than 10 cm) generally required in conventional optical rotation measurement studies to obtain a measurable perturbation of linear polarization. This is because perturbation occurs.
波動方程式のガウスビーム解と、エルミート−ガウス(HG)を含む高次レーザモードへのその拡張とが、光学実験室において一般に研究されている。LGモードがらせん又はヘリカル位相面を示すことが特に興味深い。伝搬ベクトルはスピン角運動量に加えて、軌道角運動量(OAM)成分(しばしば渦度と称される)を含む。 The Gaussian beam solution of the wave equation and its extension to higher order laser modes including Hermite-Gauss (HG) are commonly studied in optical laboratories. It is particularly interesting that the LG mode exhibits a helical or helical phase plane. In addition to the spin angular momentum, the propagation vector includes an orbital angular momentum (OAM) component (often referred to as vorticity).
空間光変調器(SLM)が、ガウスビームの位相面を変調するホログラムを実現するために頻繁に用いられ、様々な目的で設計されたビームに新たな関心が持たれている。 Spatial light modulators (SLMs) are frequently used to implement holograms that modulate the phase plane of a Gaussian beam, and there is new interest in beams designed for various purposes.
円筒座標におけるLGビームの電場についての式は、以下のようになる:
様々な濃度のグルコースを含有する3cmキュベットを通して伝搬させたOAMモード次数l=5、6及び7について図78に示すように、OAMシグネチャは、濃度に対して非線形であることが見出された。この予備データにはノイズが多いが、この傾向は幾つかのOAM次数にわたって持続し、日常的に、また幾つかのセットアップ再調整及び便宜上行われた他の変化の後に反復可能であった。 As shown in FIG. 78 for OAM mode orders l = 5, 6 and 7 propagated through 3 cm cuvettes containing various concentrations of glucose, the OAM signature was found to be non-linear with respect to concentration. Although this preliminary data is noisy, this trend persisted over several OAM orders and was repeatable on a daily basis and after several setup readjustments and other changes made for convenience.
グルコースは、約750nmで広い光学吸収帯を示し、FWHMは約250nmである。より強いOAM応答が、吸光度が633nmでの吸光度の4分の1である543nmで観察された。これは、感受率の虚部χ’’ではなく感受率の実部χ^’に基づく相互作用を示唆する。長さ20cmのキュベットを用いた別のグルコースの旋光性測定実験において、543nmでは、633nmよりも50%大きな比旋光度が測定された。溶液中のキラル分子を用いた以前のOAMの旋光性測定研究と一致して、3cm以下の試料を通るOAMビームを用いて識別可能な偏光状態変化は観察されなかった。 Glucose shows a broad optical absorption band at about 750 nm and FWHM is about 250 nm. A stronger OAM response was observed at 543 nm, where the absorbance is a quarter of the absorbance at 633 nm. This suggests an interaction based on the real part χ ^ ′ of the susceptibility rather than the imaginary part χ ″ of the susceptibility. In another glucose optical rotation measurement experiment using a 20 cm long cuvette, a specific rotation of 50% greater at 543 nm than at 633 nm was measured. Consistent with previous OAM optical rotation measurements using chiral molecules in solution, no discernible polarization state change was observed using an OAM beam through a sample of 3 cm or less.
グルコースは、これらの波長で旋光応答を有することが知られているが、濃度−経路長の積clは、このOAM研究では、偏光状態の測定可能なシフトを発生させるには小さ過ぎた。OAMが与えられたビームを用いて報告されたトポロジー変化の観察により、OAMビームとキラル分子との相互作用が、従来の旋光性測定と関連する相互作用よりも顕著であることが示唆される。OAMビームとキラル分子との相互作用は、新たな計量技法と、おそらくは、僅かな光−物質相互作用のより十分な理解とをもたらす可能性がある。光と様々な程度のキラリティを示す分子との相互作用に特に関心が持たれる。これは次章で取り上げる題材である。 Although glucose is known to have an optical rotation response at these wavelengths, the concentration-path length product, cl, was too small to generate a measurable shift in polarization state in this OAM study. Observation of topological changes reported using a beam given OAM suggests that the interaction between the OAM beam and the chiral molecule is more pronounced than the interaction associated with conventional optical rotation measurements. The interaction between OAM beams and chiral molecules can lead to new metrology techniques and possibly a better understanding of the few light-matter interactions. Of particular interest is the interaction of light with molecules that exhibit varying degrees of chirality. This is the subject of the next chapter.
[分子キラリティ]
分子のキラリティは、様々な空間回転、反転及び鏡映操作によって特徴付けられる、その「旋進性(handedness)」の幾何学的特性である。従来、分子のキラリティの程度は、「左巻き」又は「右巻き」であることに加えて、「キラル」又は「アキラル」である分子にはっきりと制限されていた。しかしながら、このキラリティの2値スケールは、研究され得る何百万もの分子系の詳細な分光学的研究には適さない。その代わりに、連続キラリティ尺度(CCM)と呼ばれる0〜100の連続スケールが、ここ20年で実現されている。基本的に、このキラリティの連続的な尺度は、以下のような連続対称性尺度(CSM)関数を含む:
Molecular chirality is its “handedness” geometric property characterized by various spatial rotation, inversion and mirroring operations. Traditionally, the degree of molecular chirality has been clearly limited to molecules that are “chiral” or “achiral” in addition to being “left-handed” or “right-handed”. However, this binary binary scale is not suitable for detailed spectroscopic studies of millions of molecular systems that can be studied. Instead, a continuous scale of 0-100 called the continuous chirality scale (CCM) has been realized in the last 20 years. Basically, this continuous measure of chirality includes a continuous symmetry measure (CSM) function as follows:
目的は、元の点集合Piからの総正規化変位量が最小となるような、所望のG対称性を有する点集合Piを特定することである。対称性の範囲0≦S’(G)≦1は、S=100S’となるように拡大することができる。他のキラル尺度スキームに対するCCMの利点としては、広範なキラル構造(歪んだ四面体、ヘリセン(helicenes)、フラーレン、凍結回転異性体(frozen rotamers)、ノットを含む)、及びキラル反応座標へのその適用の容易さと、理想的な形状への参照なしに測定されることとが挙げられる。固有キラリティ値は、最近接対称性群(σ又はS2n)を参照して得られるため、広範な幾何形状との直接比較が可能である。
The objective is to identify a point set P i having the desired G symmetry such that the total normalized displacement from the original point set P i is minimized. The
さらに、上記の新たな技法ではベクトルビーム(すなわち、「ねじれ(twistedness)」+偏光を有するビーム)を用いた誘導ラマン分光法又は共鳴ラマン分光法の使用が検討されることから、この技法をキラル分子及び非キラル分子の両方に等しく適用することができる。 In addition, the new technique described above considers the use of stimulated Raman spectroscopy or resonant Raman spectroscopy with vector beams (ie, beams with “twistedness” + polarized light), making this technique chiral. It is equally applicable to both molecules and non-chiral molecules.
[軌道角運動量によるラマン]
グルコースのラマン散乱スペクトルに対する軌道角運動量の影響を調査した。ラマンスペクトルにおける変化を、特に2950cm−1でL=0(ガウスビーム)と比較したL=2(ヘリカルビーム)により観察した。糖分子が或る種のキラル対称性7908を有する場合に、OAM分光法7904及びラマン分光法7906を用いて差分信号7902(図79)を見ることができることが革新である。グルコース、スクロース及びフルクトースのラマンスペクトルは488nm、514.5nm及び632.8nmの3つのレーザ波長についてアルゴンイオンレーザ光源及びヘリウムネオンレーザ光源から既に収集され、信号が一覧にされており、各振動の一致が他の2つのレーザ線を用いて正当化される。これらのエネルギーによる直接的な電子吸収がないことから、期待されるような共鳴は観察されなかった。しかしながら、ラマンスペクトルは、任意の波長での分子の局所的対称性及び大局的対称性に感受性を有する。差分ラマン信号は、キラル電磁場と糖分子との相互作用についての基本的情報を与え、血液中での低レベルグルコース検出について選択的な対称共鳴をもたらす可能性がある。
[Raman by orbital angular momentum]
The influence of orbital angular momentum on the Raman scattering spectrum of glucose was investigated. Changes in the Raman spectrum were observed with L = 2 (helical beam) compared to L = 0 (Gaussian beam), especially at 2950 cm −1 . It is an innovation that when the sugar molecule has some kind of chiral symmetry 7908, the differential signal 7902 (FIG. 79) can be seen using
これらの測定に使用されるシステムは、500nm及び1200本/mmの溝密度でブレーズされた回折格子を用いる75cm単段分光計に取り付けられた共焦点顕微鏡である。使用した顕微鏡対物レンズは、10倍拡大であった。角運動量値L=2のOAMビームを生成するために、Qプレートをシステムに組み込んだ。 The system used for these measurements is a confocal microscope attached to a 75 cm single stage spectrometer using a diffraction grating blazed at 500 nm and a groove density of 1200 lines / mm. The microscope objective used was 10 times magnified. In order to generate an OAM beam with an angular momentum value L = 2, a Q plate was incorporated into the system.
ここで図80を参照すると、アラインメント手順が示される。直線偏光子を工程8002でビーム経路に挿入し、工程8004で最大透過強度が達成されるまで回転させる。Qプレートを工程8006でビーム経路に挿入し、工程8008でOAMビームを発生させる中心を(ドーナツの観察により)位置決めする。円偏光子を工程8010でQプレートの前に挿入する。直線偏光子を工程8012でQプレートの後に設置し、4ローブ構造を観察する。最後に、円偏光子を工程8014で最終直線偏光子からの出力が最終直線偏光の全角度でドーナツを示すまで回転させる。この手順を繰り返して、Qプレートへの印加電圧(およそ4ボルト)及び矩形波駆動周波数(およそ2KHz)も調整する。測定は最終直線偏光子を用いずに行う。
Referring now to FIG. 80, an alignment procedure is shown. A linear polarizer is inserted into the beam path at
L=0のスペクトル(ビーム経路内に素子なし)と共に得られるL=2のスペクトル(いずれの場合にも2800cm−1近くのラマン信号である最大値に対して正規化されている)を、図81及び図82に示す。これらの測定から、2つの異なる励起の間に強度差が見られることが示される。400cm−1及び550cm−1で散乱強度のほぼ50パーセントの増大が見られ、L=2のスペクトルは、これらの線の各々の幾つかの付加的なショルダーを示す。2950cm−1前後のダブレット(doublet)の強度比が最も顕著である。 The L = 2 spectrum obtained with the L = 0 spectrum (no element in the beam path) (in each case normalized to the maximum value which is a Raman signal near 2800 cm −1 ) 81 and FIG. These measurements show that there is an intensity difference between two different excitations. Approximately 50% of the increase in the scattering intensity at 400 cm -1 and 550 cm -1 were observed, the spectrum of the L = 2 show some additional shoulder of each of these lines. The intensity ratio of doublets around 2950 cm −1 is most prominent.
これらの測定に使用されるラマンシステムは、アラインメントが制限される。付加的な波長板を組み込むことで、共焦点システムにおける顕著な収集強度の低下をもたらす僅かなウォークオフ(walk-off)が引き起こされる。おそらくは、正規化により任意のアラインメント強度の問題が解決されるが、信号対ノイズが悪化し、より長い積分が必要とされる。長い積分時間は常に可能又は適切とは限らない。 The Raman system used for these measurements is limited in alignment. Incorporating an additional wave plate causes a slight walk-off that results in a significant reduction in collection intensity in the confocal system. Presumably, normalization solves any alignment strength problem, but signal-to-noise worsens and longer integration is required. Long integration times are not always possible or appropriate.
これらの測定をグルコースについて繰り返し、フルクトースについても行う必要がある。また、OAMを有しない純粋な円偏光に対する応答を確認する必要がある。アラインメントを利用し、Qプレート操作について最適化することが可能でなければならない。OAMのL=1値及びL=20値も使用する必要がある。このレーザがシステムにおいて最短の収集時間で最良のスペクトルを発生させることから、有望な結果により、488nmについて1/4波長板が使用される。 These measurements need to be repeated for glucose and also for fructose. It is also necessary to confirm the response to purely circularly polarized light without OAM. It should be possible to optimize the Q plate operation using alignment. The OAM L = 1 and L = 20 values should also be used. With this promising result, a quarter wave plate is used for 488 nm since this laser generates the best spectrum with the shortest acquisition time in the system.
より高エネルギーのラマン信号は、多くの有機系に存在する一般的な炭素結合及び炭素水素結合を示すことからグルコースに特有ではないが、キラル系に特有であると証明される可能性がある。付加的に、Qプレートに対してシステムがより良好に最適化されると、グルコースにより特有な、より低エネルギーのモードが、OAMとのより良好な区別を示す可能性がある。 Higher energy Raman signals are not unique to glucose because they represent the common carbon and carbon hydrogen bonds present in many organic systems, but may prove to be unique to chiral systems. In addition, as the system is better optimized for the Q plate, the lower energy modes that are more specific to glucose may show better differentiation from OAM.
[単結晶氷砂糖による光学活性]
糖分子の光学活性は、よく研究されており、入射光の僅かな回転を付与する糖系の偏光をもたらす分子のキラル対称性の結果であり、したがって最終透過ビームが、存在する分子の濃度に依存して回転を有する。軌道角運動量を用いて物質の透過又は反射による偏光変化を検出するための汎用性及び感度の高いシステムを開発するために、実験を開始した。このシステムはSLMの使用に最適であり、任意のタイプのビームを原則として生成することができる。出発点として、高い結晶化度及び規則的な劈開面を示す氷砂糖の、各々数mm厚の試料を得た。これらの氷砂糖試料を研磨して表面を光学品質仕上げすることができるが、それまでの内部欠陥により明瞭な透過測定が妨げられ、信号は前方散乱として収集される。結晶は、結晶面の明確な対称性を示す3片に劈開され、結晶のz軸は劈開面に対して斜交する。これらの測定を始めるに際して、データをQプレート出力についても比較する。この測定システムは、今後の偏光感受型測定及び誘導ラマン測定のための均衡の取れたロックイン検出の光学系となる。
[Optical activity by single crystal rock sugar]
The optical activity of sugar molecules has been well studied and is the result of the chiral symmetry of the molecule resulting in the polarization of the sugar system imparting a slight rotation of the incident light, so that the final transmitted beam is at the concentration of the molecule present. Depending on having rotation. An experiment was started to develop a versatile and sensitive system for detecting polarization changes due to transmission or reflection of matter using orbital angular momentum. This system is ideal for use with SLMs and can in principle generate any type of beam. As a starting point, samples of rock sugar each having a thickness of several millimeters were obtained, showing high crystallinity and regular cleavage planes. These rock sugar samples can be polished to optically finish the surface, but previous internal defects prevent clear transmission measurements and the signal is collected as forward scatter. The crystal is cleaved into three pieces that exhibit a clear symmetry of the crystal plane, and the z-axis of the crystal is oblique to the cleavage plane. When starting these measurements, the data is also compared for Q plate output. This measurement system will be a balanced lock-in detection optical system for future polarization sensitive measurements and stimulated Raman measurements.
SLM、Matlab及びビデオキャプチャを同時に実行することが可能な、適切に構成されたコンピュータ上のSLMに対して、複数のモニタへのアクセスが必要とされる。 Access to multiple monitors is required for an SLM on a properly configured computer capable of performing SLM, Matlab and video capture simultaneously.
ここで図81を参照すると、HeNeレーザの出力を1kHz前後でチョッピングし、シングルモードファイバに送る。出力を2つの両凸レンズでコリメートし、半波長板に通して送り、Hamamatsu LCOS SLM 8102に入射する偏光をSLMの操作仕様に従って10度未満の入射角度で調整する。SLM 8102は、MATLABコードを用いて生成したフォーク型回折格子又はらせん位相パターンホログラムを表示し、所望のOAMビームを生成する。反射ビームはOAMを搬送し、ビーム軸に沿ってゼロ強度を有する特徴的な「ドーナツ」形状が見られる。次いで、このビームがロックイン検出のために1対の直交偏光子(crossed polarizer)8104を通して検出器8106に送られる。対称検出器を採用する実験システムも探求する。
Referring now to FIG. 81, the output of the HeNe laser is chopped around 1 kHz and sent to a single mode fiber. The output is collimated by two biconvex lenses, sent through a half-wave plate, and the polarization incident on the Hamamatsu LCOS SLM 8102 is adjusted at an incident angle of less than 10 degrees according to the operating specifications of the SLM. The SLM 8102 displays a forked diffraction grating or a helical phase pattern hologram generated using the MATLAB code, and generates a desired OAM beam. The reflected beam carries the OAM and a characteristic “donut” shape with zero intensity is seen along the beam axis. This beam is then sent to a
実験により、これらの研磨された糖結晶について強度曲線におけるおよそ20度のシフトが示された。検出スキームを終えた後に一連の測定を行う。これらには以下が含まれる:
1. 研磨された結晶全体を通した光学活性。
2. 異なる切断方向で光学活性の付加的/減法的な効果が存在するか、および、いずれかの方向がOAMに感受性を示すかを調査するための、独立して劈開片の各々を通した光学活性。
Experiments have shown an approximately 20 degree shift in the intensity curve for these polished sugar crystals. A series of measurements are made after the detection scheme is finished. These include the following:
1. Optical activity throughout the polished crystal.
2. Optical activity through each of the cleaved pieces independently to investigate whether there is an additive / subtractive effect of optical activity at different cutting directions, and which direction is sensitive to OAM .
[糖化タンパク質のラマン検出]
Hb及びHb−A1c aタンパク質を、OAMを用いたラマン分光法により調査することもできる。哺乳動物の血液は、その細胞構成、その胚起源、また血漿中のコロイド状タンパク質の起源及び存在のために、結合組織とみなされる。赤血球及び血漿タンパク質が血液の主成分である。これらの結合組織成分は、疾患状態での代謝ストレスの標的であり、化学的変化をもたらす。全ての血液成分が、高血糖状態において過度の代謝ストレスを受ける。血液は栄養素、ガス及び排泄物の主要な輸送体として働く。血漿は、グルコースの組織への主要な運搬体として働く。正常な食前血漿グルコースレベルは80mg/dl〜130mg/dlであり、正常な食後血漿グルコースは180mg/dl未満である。グルコースの腎閾値(RTG)は血漿グルコースの生理的最大値であり、これを超えると腎臓はグルコースを再吸収することができず、グルコースが尿中に排出される。これが糖尿と呼ばれる病態である。糖尿は真性糖尿病(DM)の主要特性である。DMにおける高血漿グルコースは、HbA1cとしても知られるグリコシル化ヘモグロビンのレベルの増大を引き起こす。正常な生理的条件下では、HbA1cレベルは7%未満であり、これはeAGとしても表され、正常血糖状態で154mg/dl未満である必要がある。
[Raman detection of glycated protein]
Hb and Hb-A1ca proteins can also be investigated by Raman spectroscopy using OAM. Mammalian blood is considered connective tissue because of its cellular organization, its embryonic origin, and the origin and presence of colloidal proteins in plasma. Red blood cells and plasma proteins are the main components of blood. These connective tissue components are targets of metabolic stress in disease states, resulting in chemical changes. All blood components are subject to excessive metabolic stress in hyperglycemic conditions. Blood serves as the primary transporter of nutrients, gases and excreta. Plasma serves as the primary transporter of glucose to tissues. Normal pre-prandial plasma glucose levels are between 80 mg / dl and 130 mg / dl, and normal post-prandial plasma glucose is less than 180 mg / dl. The renal threshold of glucose (RTG) is the physiological maximum of plasma glucose beyond which the kidney cannot reabsorb glucose and glucose is excreted in the urine. This is a condition called diabetes. Diabetes is a major feature of diabetes mellitus (DM). High plasma glucose in DM causes an increase in the level of glycosylated hemoglobin, also known as HbA1c. Under normal physiological conditions, HbA1c levels are less than 7%, which is also expressed as eAG and should be less than 154 mg / dl in normoglycemia.
[DMにおける血漿タンパク質の糖化]
糖化は、タンパク質へのグルコース又は他のヘキソース糖部分の非酵素的なランダムな非特異的共有結合として定義される。健常個体における血中グルコースレベルは血液中7%未満の糖化ヘモグロビン(HbA1c)レベルを有するが、DMのような高血糖条件下では、そのレベルは増大する。より高い血中グルコースレベルは、アルブミンのような血漿の他の主要タンパク質の糖化を誘導する可能性がある。
[Glycation of plasma protein in DM]
Glycation is defined as a non-enzymatic random non-specific covalent linkage of glucose or other hexose sugar moiety to a protein. Blood glucose levels in healthy individuals have glycated hemoglobin (HbA1c) levels of less than 7% in blood, but under hyperglycemic conditions such as DM, the levels increase. Higher blood glucose levels may induce glycation of other major proteins in plasma such as albumin.
[DMにおける糖化タンパク質の測定の利点]
血中グルコースレベルの測定は、被験者の血糖状態についての特定の時点での情報しか与えない。すなわち、数ヶ月にわたってコントロールされない血糖値を有する糖尿病者が、特定の日に絶食条件下で又は低炭水化物摂取量で試験を受けた場合に、正常血中グルコースレベルが得られる場合がある。しかしながら、血液中の糖化ヘモグロビン(HbA1c)レベルの測定は、過去2ヶ月〜3ヶ月間の患者の平均血糖値についての情報をもたらす。したがって、過去10年で、感度及び信頼性の高い実験室分析の開発により、DM患者において糖化ヘモグロビンを測定することが標準的な臨床診療となっている。本発明者らは、特定のラマンフィンガープリント(自然の及び変化させた物理的状態での、主要血中タンパク質ヘモグロビン、血漿アルブミン、等の非酵素的糖化によって生じる可能性があるもの)の検出のための糖尿病血及びその成分に対するラマン分光研究の使用を提案する。タンパク質における糖化過程は化学的変化、構造修飾、配座変化を誘導する。これらのいずれか又は全てが、特別なラマンスペクトル変化を生じる可能性があり、臨床マーカとして用いることができる。
[Advantages of glycated protein measurement in DM]
Measuring blood glucose levels only gives information at a specific point in time about the subject's blood glucose status. That is, a diabetic with an uncontrolled blood sugar level over several months may obtain normal blood glucose levels when tested on a particular day under fasting conditions or with low carbohydrate intake. However, measurement of glycated hemoglobin (HbA1c) levels in the blood provides information about the patient's average blood glucose level over the past 2 to 3 months. Therefore, in the past decade, measuring glycated hemoglobin in DM patients has become standard clinical practice due to the development of sensitive and reliable laboratory analysis. We have detected the detection of specific Raman fingerprints, which can be caused by non-enzymatic glycation of major blood proteins hemoglobin, plasma albumin, etc. in natural and altered physical states In order to propose the use of Raman spectroscopy studies for diabetic blood and its components. Glycation processes in proteins induce chemical changes, structural modifications, and conformational changes. Any or all of these can cause special Raman spectral changes and can be used as clinical markers.
測定は、小型卓上OceanOpticsラマンシステムを用いて532nm励起で行った。 Measurements were made using a small desktop OceanOptics Raman system with 532 nm excitation.
[トリプトファンのラマン分光法]
ヘモグロビン(四量体)は6残基のトリプトファンを有するため、ヘモグロビンは蛍光タンパク質である。トリプトファンは糖化を受け、ヘモグロビンの配座変化を生じ得る。トリプトファンの変化は、ラマン研究を用いることによって特定することができる(Masako Na- Gai et al. Biochemistry, 2012, 51 (30), pp 59325941(参照により本明細書に援用される))。トリプトファン残基において糖化により誘導されるラマンスペクトル変化を理解するためには、532nmのOceanOpticsラマンを用いて分析グレードの非晶質トリプトファンからラマンスペクトルを得る。
[Raman spectroscopy of tryptophan]
Because hemoglobin (tetramer) has a 6-residue tryptophan, hemoglobin is a fluorescent protein. Tryptophan undergoes glycation and can cause conformational changes in hemoglobin. Tryptophan alterations can be identified by using Raman studies (Masako Na-Gai et al. Biochemistry, 2012, 51 (30), pp 59325941, incorporated herein by reference). To understand the change in Raman spectra induced by saccharification at tryptophan residues, Raman spectra are obtained from analytical grade amorphous tryptophan using 532 nm OceanOptics Raman.
[タンパク質のラマンスペクトル]
アルブミン及び糖化アルブミン試料の固体非晶質粉末を、OceanOptic532nmラマンシステム、並びに488nm、514.5nm及び632.8nmを用いる共焦点ラマンシステムを使用するラマン測定に供した。これらの試料からラマン信号は観察されなかった。したがって、7.4の生理的pHの溶液中で再試験を行う必要がある。
[Raman spectrum of protein]
Solid amorphous powders of albumin and glycated albumin samples were subjected to Raman measurements using the OceanOptic 532 nm Raman system and confocal Raman systems using 488 nm, 514.5 nm and 632.8 nm. No Raman signal was observed from these samples. Therefore, it is necessary to retest in a solution with a physiological pH of 7.4.
次の工程は、以下の通りである:
1. NIRラマン:血液及びその成分は、可視範囲で強い蛍光を有するため、NIRラマンにより蛍光の低減が助けられ、標的タンパク質分子から良好なラマン信号が得られる可能性がある。
2. OceanOptics532nmラマン:これは、血液中の糖化誘導体の一部を検出するために用いることができる。ヒト被験体又は動物モデルのいずれかに由来する正常血及び糖尿病血が必要とされる。また、このシステムを用いることによって合成糖化産物の基準スペクトルを得ることができ、これを後に血液試料に由来するラマン信号と比較することができる。
3. 生体内動物モデル:生体内血中グルコース及び糖尿病試験のための今後の実験を成功させるには、ラマン測定をラット糖尿病動物モデルにおいて行う必要がある。
The next steps are as follows:
1. NIR Raman: Since blood and its components have strong fluorescence in the visible range, NIR Raman can help reduce fluorescence and can yield good Raman signals from target protein molecules.
2. OceanOptics 532 nm Raman: This can be used to detect some of the glycated derivatives in the blood. Normal blood and diabetic blood from either a human subject or animal model is required. Also, by using this system, a reference spectrum of a synthetic saccharification product can be obtained, and this can be compared later with a Raman signal derived from a blood sample.
3. In vivo animal model: In order to succeed in future experiments for in vivo blood glucose and diabetes testing, Raman measurements need to be performed in a rat diabetes animal model.
[食品の新鮮さ、損傷及び有機物の検出のためのラマンによるOAM]
調査される別の側面は、肉、農産物、乳製品及び穀物の損傷による食品の安全性についての懸念と、表示付きの食品が有機であるかのラマン及びOAMを用いた決定とである。社会的及び個人的な懸念が品質、安定性、及び食品保存期間の安全性の政府規制及び商業上の要件の両方につながっている。さらに、食品損傷を引き起こす食品の劣化は、健康問題だけでなく、食品製造及び関連産業に対する経済的損失をもたらす。このため、食品損傷を最小限に抑え、食品の新鮮さを決定し、又は食品の保存寿命を最大化することが所望される。
[Raman OAM for detection of food freshness, damage and organic matter]
Another aspect investigated is concerns about food safety due to damage to meat, agricultural products, dairy products and cereals, and determination using Raman and OAM to determine whether the labeled food is organic. Social and personal concerns have led to both government regulations and commercial requirements for quality, stability, and food shelf life safety. Furthermore, food degradation that causes food damage results in not only health problems but also economic losses to food production and related industries. Thus, it is desirable to minimize food damage, determine food freshness, or maximize food shelf life.
さらに、アメリカ合衆国農務省(「USDA」)は、2000年に「有機(organic)」という用語についてのガイドライン及び国家規格を確立した。例えば、USDAガイドラインによって定義される有機食品は、食品を下水汚泥肥料、合成肥料及び農薬、遺伝子組み換え、成長ホルモン、放射線照射、並びに抗生物質なしに製造しなければならないことを意味する。 In addition, the United States Department of Agriculture (“USDA”) established guidelines and national standards for the term “organic” in 2000. For example, organic food as defined by the USDA guidelines means that food must be produced without sewage sludge fertilizers, synthetic fertilizers and pesticides, genetic modification, growth hormone, radiation, and antibiotics.
不快な臭い、不快な味、色の変化、テクスチャの変化及びカビの成長等の従来の食品損傷の物理的特性は、食品の品質又は安全性を損なう生化学過程が生じた後によく現れる。結果として、これらは食品の新鮮さ、保存及び損傷に関して用いるための許容可能な基準を決定する適切な指標ではない。 The physical characteristics of conventional food damage such as unpleasant odor, unpleasant taste, color change, texture change and mold growth often appear after biochemical processes that compromise food quality or safety. As a result, these are not appropriate indicators to determine acceptable criteria for use with respect to food freshness, storage and damage.
このため、これまでの研究は、食品損傷のいわゆる「バイオマーカ」の特定を含む。この研究は、食品損傷の物理的特性と関連する或る特定の化学副産物を発生させる生化学的機構の特定を含む。これらの機構は、物理的機構(例えば、温度、pH、光、機械的損傷)、化学的機構(例えば、酵素反応、非酵素反応、酸敗、化学的相互作用)、微生物ベースの機構(例えば、細菌、ウイルス、酵母、カビ)、又は他の機構(例えば、昆虫、齧歯類、動物、鳥類)であり得る。 For this reason, previous work includes the identification of so-called “biomarkers” of food damage. This study involves the identification of biochemical mechanisms that generate certain chemical by-products associated with the physical characteristics of food damage. These mechanisms include physical mechanisms (eg, temperature, pH, light, mechanical damage), chemical mechanisms (eg, enzymatic reactions, non-enzymatic reactions, rancidity, chemical interactions), microbial-based mechanisms (eg, Bacteria, viruses, yeasts, molds), or other mechanisms (eg, insects, rodents, animals, birds).
調査の一態様は、これらのいわゆるバイオマーカ及びそれらの関連濃度を特定し、基本的な食品カテゴリの保存寿命をより良好に決定するために、OAM及びラマン技法を使用することである。付加的に、本発明の別の態様は、食料品を「有機」とみなすことができなくする使用される化学物質を調査することである。例えば、下記表1に、一般的な食品群と関連する食品損傷機構に関連付けられた、幾つかの研究された生化学過程及び化学副産物を示す。 One aspect of the study is to use OAM and Raman techniques to identify these so-called biomarkers and their associated concentrations and to better determine the shelf life of basic food categories. Additionally, another aspect of the present invention is to investigate the chemicals that are used that make a food product unable to be considered “organic”. For example, Table 1 below shows some studied biochemical processes and chemical by-products associated with food damage mechanisms associated with common food groups.
当業者には、一般的な食料品の食品損傷の証拠となる様々な他の機構及び生化学指標(食品損傷に関連付けられた他の反応、又は揮発性若しくは不揮発性有機化合物(VOC)の副生成物を含む)が十分に理解される。同様に、穀物、乳製品、農産物又は肉のいずれを調査するかを問わず、食品を有機とみなすことができなくする化学物質及び添加物が当業者には十分に理解される。 Those skilled in the art will recognize a variety of other mechanisms and biochemical indicators (other reactions associated with food damage, or volatile or non-volatile organic compounds (VOCs)) that are evidence of food damage to common food products. (Including product) is well understood. Similarly, regardless of whether grain, dairy products, agricultural products, or meat are being investigated, those skilled in the art are well aware of the chemicals and additives that make a food product non-organic.
従来の分光技法は、これらのバイオマーカを、食品試料の保存寿命又は問題の食品の有機性を決定するのに任意の意味のある態様で、リアルタイム又は適切な濃度で特定するには不向きである。本調査及び発明では、上記表中の様々なバイオマーカ及び一般的な化学物質(食品を連邦規制に定義されるように有機とみなすことができなくするもの)を分類、特定及び定量化するために上記のラマン及びOAM法が用いられる。 Conventional spectroscopic techniques are unsuitable for identifying these biomarkers in real time or at appropriate concentrations in any meaningful manner to determine the shelf life of food samples or the organicity of the food in question. . For the purposes of this survey and invention, to classify, identify and quantify the various biomarkers and common chemicals in the above table (those that make foods not considered organic as defined by federal regulations) The above Raman and OAM methods are used.
かかる技法は、バイオマーカ又は化学物質がキラル分子又は非キラル分子のいずれであるかを問わず、等しく適用可能である。その場合には、かかるデータをサンプリングした食品群の分解濃度と相関させ、食品の新鮮さ、損傷、有機品質及び安全性について許容可能な最小濃度及び最大濃度を決定することができる。 Such techniques are equally applicable regardless of whether the biomarker or chemical is a chiral or non-chiral molecule. In that case, such data can be correlated with the sampled food group degradation concentrations to determine acceptable minimum and maximum concentrations for food freshness, damage, organic quality and safety.
[インス−ガウス分光法]
1つ以上の他の分光学的技法と組み合わせることができる別のタイプの分光学的技法は、インス−ガウス分光法である。インスガウス(IG)ビームは、楕円座標系における近軸ビームの解である。IGビームは直交する固有状態の第3のコール(calls)であり、試料のキラリティ構造をプローブすることができる。IGモードは好ましい対称性(長軸対短軸)を有するため、キラリティをラゲールガウス又はエルミートガウスモードよりも良好にプローブすることが可能である。これにより、ラゲールガウスモード又はエルミートガウスモードよりも多くのIGモードを楕円コアファイバ内で伝搬させることが可能である。このため、IGモードは、ラゲールガウスモード又はエルミートガウスモードを使用するのと同じように分光法のプログラム信号として使用することができる。これにより、IGモードプローブ信号を用いた物質のタイプ及び物質の濃度の検出が可能となる。
[Ins-Gauss spectroscopy]
Another type of spectroscopic technique that can be combined with one or more other spectroscopic techniques is in-Gaussian spectroscopy. An Insgaussian (IG) beam is a paraxial beam solution in an elliptical coordinate system. IG beams are orthogonal eigenstate third calls that can probe the chirality structure of the sample. Since the IG mode has favorable symmetry (long axis vs. short axis), it is possible to probe the chirality better than the Laguerre Gaussian or Hermitian Gaussian mode. Thereby, it is possible to propagate more IG modes in an elliptical core fiber than Laguerre Gaussian mode or Hermitian Gaussian mode. For this reason, the IG mode can be used as a program signal for spectroscopy in the same manner as using the Laguerre Gaussian mode or the Hermitian Gaussian mode. As a result, the type of substance and the concentration of the substance can be detected using the IG mode probe signal.
波動方程式は、以下のように直交座標におけるヘルムホルツ方程式として表すことができる:
近軸波動近似は、本発明者らの仮定をヘルムホルツ方程式に代入することによって決定することができる。
次に、ゆっくり変化する包絡近似を得る:
楕円−円筒座標系は、図82に示すように規定することができる。
ξの定数値の曲線は、図83に示すように共焦点楕円をトレースする。
ηの定数値により、図84に示すように共焦点双曲線が得られる。
次に、楕円−円筒座標系を以下のように定義することができる:
次に、近軸波動方程式の解を楕円座標にすることができる。楕円円筒座標における近軸波動方程式は、以下のように定義される:
変調された基本ガウスビームとして分離可能な解を仮定する。
分離微分方程式は、以下のように定義される:
インス−ガウス方程式の偶数解は、以下のようになる:
インス−ガウス方程式の奇数解は、以下のようになる:
このため、図59に関して先に論考したように、2つ以上の異なるタイプの分光技法を組み合わせることによって、様々なタイプの異なるパラメータをモニタリングし、試料物質のタイプ及び濃度の決定に使用することができる。複数のタイプの分光学的パラメータ分析の使用により、試料タイプ及び濃度のより正確かつ詳細な分析が可能となる。このため、任意の数の分光学的技法(光学分光法、赤外分光法、ラマン分光法、自発ラマン分光法、誘導ラマン分光法、共鳴ラマン分光法、偏光ラマン分光法、光渦を用いたラマン分光法、THz分光法、テラヘルツ時間領域分光法、蛍光分光法、ポンププローブ分光法、OAM分光法又はインスガウス分光法、等)を、任意の数の様々な組合せで用いて、濃度における試料タイプのより良好な検出をもたらすことができる。本明細書で論考される分光法のタイプが任意の組合せの分光学的技法に限定されず、試料物質の分析に利用することができることを理解されたい。 Thus, as discussed above with respect to FIG. 59, by combining two or more different types of spectroscopic techniques, different types of different parameters can be monitored and used to determine the type and concentration of sample material. it can. The use of multiple types of spectroscopic parameter analysis allows for a more accurate and detailed analysis of sample type and concentration. For this reason, any number of spectroscopic techniques (optical spectroscopy, infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, spontaneous Raman spectroscopy, stimulated Raman spectroscopy, resonance Raman spectroscopy, polarization Raman spectroscopy, optical vortex were used. Raman spectroscopy, THz spectroscopy, terahertz time domain spectroscopy, fluorescence spectroscopy, pump probe spectroscopy, OAM spectroscopy or Insgaussian spectroscopy, etc.) in any number of different combinations and sample types at concentrations Better detection of. It should be understood that the types of spectroscopy discussed herein are not limited to any combination of spectroscopic techniques and can be utilized for the analysis of sample material.
[OAMを用いた多重パラメータデュアルコム分光法]
結果を改善し得るペアリング光周波数コムを用いた精密分光法を行うことができる。ここで図89を参照すると、ブロードバンド周波数コム分光法では、光周波数コムからの信号を、従来の分光計によって、但しデュアルコム分光法と呼ばれる技法(速度及び分解能に対する従来の分光計8902及び機器の制限が取り除かれる)にて、読み取る。代わりに、第2の周波数コム8904が、以前に分光計8902によって行われた仕事を引き受ける。データ取得速度、スペクトル分解能及び感度の劇的な増加を結果として得ることができる。これらの技法は、多重パラメータ分光法8906(波長、偏光及びOAM分光法8908を活用する)と併せて用いることができる。
[Multi-parameter dual-comb spectroscopy using OAM]
Precision spectroscopy using a pairing optical frequency comb that can improve the results can be performed. Referring now to FIG. 89, in broadband frequency comb spectroscopy, the signal from the optical frequency comb is transmitted by a conventional spectrometer, but referred to as a technique called dual comb spectroscopy (speed and resolution of the
[光周波数コム]
光周波数コム8904は、等間隔の様々な周波数で同時に放出する非常に多くの連続波(CW)レーザを有する、数十万又は数百万の等間隔の明確な類似線からなるスペクトルである。光コムは、多くの方法で生成することができる。最も一般的な方法では、位相安定化モード同期超短パルスレーザが使用される。時間領域では、レーザは、特定の繰返しレートのパルストレインを、特定の増大する付加的な搬送波−包絡線位相(各連続パルスを有する)を用いて発生させる。パルストレインの繰返しレート及び搬送波−包絡線位相の両方を無線又は光周波数基準に対して安定化させると、レーザの周期パルストレインのフーリエ変換は、周波数領域において明確な櫛様スペクトルを示す。
[Optical frequency comb]
The
周波数コムが十分に安定化され、原子時計等の絶対周波数標準に対して基準合わせされる場合、コムスペクトルは、光学周波数を測定するための極めて精密な定規となる。この定規は、以下の広範な科学的問題に適用される:原子、イオン又は分子遷移の高分解能周波数測定(物理学の基本問題に答えるためのもの);微量のドップラーシフトの検出;並びにアト秒物理学、超高純度マイクロ波生成、長距離時間−周波数転送、原子量子ビットの操作、及びその他多くでの他の用途。 If the frequency comb is sufficiently stabilized and calibrated against an absolute frequency standard such as an atomic clock, the comb spectrum becomes a very precise ruler for measuring optical frequencies. This ruler applies to a wide range of scientific problems: high-resolution frequency measurements of atoms, ions or molecular transitions (to answer basic physics problems); detection of trace Doppler shifts; and attoseconds Other applications in physics, ultra high purity microwave generation, long range time-frequency transfer, manipulation of atomic qubits, and many others.
周波数コムについての最も盛んな研究分野の1つは、ブロードバンド分子分光法である。コムの数百万の等間隔の明確な線は、複雑なブロードバンド分子シグネチャを高いスペクトル分解能及び感度で測定する機会をもたらす。しかしながら、これらの利点を利用するには、それぞれのコム線を分解するのに十分に高解像度の分光計が必要とされる。アプローチの1つは、回折格子と組み合わせた仮想画像化フェイズドアレイ(VIPA)ディスパーザに基づく分光計の使用であり得る。別の一般的なスキームでは、分析化学、マイケルソン型フーリエ変換分光計が使用され、従来のブロードバンドな、通常は非コヒーレントな光源が、周波数コムで置き換えられる。 One of the most active research areas on frequency combs is broadband molecular spectroscopy. Com's millions of equally spaced lines provide the opportunity to measure complex broadband molecular signatures with high spectral resolution and sensitivity. However, to take advantage of these advantages, a sufficiently high resolution spectrometer is required to resolve each comb line. One approach may be the use of a spectrometer based on a virtual imaging phased array (VIPA) disperser in combination with a diffraction grating. In another common scheme, analytical chemistry, a Michelson Fourier Transform spectrometer is used, and a conventional broadband, usually incoherent light source is replaced with a frequency comb.
周波数コム分光法に対するこのアプローチでは、周波数コムパルストレインが、各干渉計アーム(これらの1つは、機械的に走査されるミラーを備える)へと分割され、2つのパルストレインが分析対象の試料を通して送られる。ミラーが走査されると、一連のインターフェログラムが単一の受光器及びデジタイザで記録される。インターフェログラムのフーリエ変換によりスペクトルが生成されるが、分解能は干渉計の最大光路長差によって決まる。 In this approach to frequency comb spectroscopy, the frequency comb pulse train is divided into each interferometer arm (one of which comprises a mechanically scanned mirror) and two pulse trains are analyzed. Sent through. As the mirror is scanned, a series of interferograms are recorded with a single receiver and digitizer. The spectrum is generated by the Fourier transform of the interferogram, but the resolution is determined by the maximum optical path length difference of the interferometer.
[デュアルコムの利点]
記載のマイケルソン型セットアップを用いて周波数コム分光法を行うことの主な不利点は、速度である。走査ミラーの速度によって限定されるセットアップの走査速度は、一般にHzオーダーでしかない。デュアルコム分光法では、移動ミラーではなく第2の周波数コムを使用して遅延時間を与えることにより、この不利点が緩和される。分光計のパフォーマンスの顕著な改善を結果として得ることができる。
[Advantages of Dualcom]
The main disadvantage of performing frequency comb spectroscopy using the described Michelson-type setup is speed. The scan speed of the setup, which is limited by the speed of the scanning mirror, is generally only on the order of Hz. In dual comb spectroscopy, this disadvantage is mitigated by providing a delay time using a second frequency comb rather than a moving mirror. A significant improvement in spectrometer performance can be obtained as a result.
デュアルコムセットアップでは、パルストレインが、第1のコムとは僅かに異なるパルス繰り返しレートで第2のコムを形成し、第1のコムからのトレインと空間的に組み合わされる。組み合わされたパルストレインは分析対象の試料を通過し、受光器によって検出される。結果は、時間領域では、パルス間での、相互相関関数のような干渉計信号の繰り返し系列(2つのコム間の繰返しレートの差に基づき着実に増大する時間差を有する)である。このため、デュアルコムインターフェログラムは、従来のマイケルソン型フーリエ変換分光計と同様の特徴を有するが、デュアルコムセットアップがミラーの機械的運動に依存しないことから、その走査速度は、マイケルソン型干渉計よりも桁違いに速い。 In a dual comb setup, the pulse train forms a second comb at a slightly different pulse repetition rate than the first comb and is spatially combined with the train from the first comb. The combined pulse train passes through the sample to be analyzed and is detected by the photoreceiver. The result is a repeating sequence of interferometer signals, such as a cross-correlation function, between pulses in the time domain (with a time difference that steadily increases based on the difference in repetition rate between the two combs). For this reason, the dual comb interferogram has the same characteristics as the conventional Michelson type Fourier transform spectrometer, but since the dual comb setup does not depend on the mechanical movement of the mirror, the scanning speed is the Michelson type. An order of magnitude faster than an interferometer.
デュアルコム分光法の別の利点は周波数領域に現れる。ここで、僅かに異なる繰返しレートを有する2つの光コムの混合により、第3の、ダウンコンバートされた無線周波数(RF)コム(その歯間の間隔は、2つの光コム間の繰返しレートの差に相当する)が得られる。このため、試料の応答は、このダウンコンバートされたRFコム上で符号化され、2つの光コム間のビート測定により、RFコムから復元することができるマルチヘテロダイン信号が生成される。要約すると、ダウンコンバートされたコムは、光周波数コムのコヒーレンス特性を受け継ぎ、RFヘテロダイン検出の速度及びデジタル信号処理の利点を有する、高い解像度及び精度でのブロードバンド分光法を可能にする。 Another advantage of dual comb spectroscopy appears in the frequency domain. Here, by mixing two optical combs with slightly different repetition rates, a third, down-converted radio frequency (RF) comb (the spacing between the teeth is the difference in repetition rate between the two optical combs). Is obtained). Thus, the sample response is encoded on this downconverted RF comb, and the beat measurement between the two optical combs generates a multi-heterodyne signal that can be recovered from the RF comb. In summary, the downconverted comb inherits the coherence characteristics of the optical frequency comb and allows broadband spectroscopy with high resolution and accuracy, with the advantages of RF heterodyne detection speed and digital signal processing.
[小さなウェアラブルデバイス]
体内の生理学的化学レベルの変化を検出するための、ラマン及びNIR吸収に基づく、小型のウェアラブル光学デバイスを実装することもできる。新規の検出スキームに加えて、小型の集積電子−光子システム(最終的には集積シリコンフォトニクスシステム)も開発している。ウェアラブルデバイス9000は、図90に示すように以下の構成要素を備えるものとする。MCU(マイクロ制御装置)9002は、ウェアラブルデバイス9000の全操作を制御する。BLE(Bluetooth低エネルギー)送信機/受信機9004は、ウェアラブルデバイス9000に、またウェアラブルデバイス9000から信号を伝達する。信号を内部増幅するトランス−インピーダンスアンプ(TIA)。デバイス9000内のLED/レーザを駆動するドライバ9008。高分解能ADC 9010は、アナログ−デジタル変換を行う。フラッシュメモリ9012は、ウェアラブルデバイス9000内にデータを保存する。リアルタイムクロック9014は、内部クロッキング動作を制御する。
[Small wearable device]
A small wearable optical device based on Raman and NIR absorption for detecting changes in physiological chemical levels in the body can also be implemented. In addition to new detection schemes, small integrated electron-photon systems (and ultimately integrated silicon photonics systems) are also being developed. The
主要な要件は、全構成要素についての低い零入力電流、ディープスリープモードに入る能力、動作モードでの低電流消費、リアルタイムクロックの低周波数モード/低出力動作、並びにMCU(マイクロ制御装置)及びBLE(blue−tooth低エネルギー)の単一バッテリ動作。2013年〜2015年モデルのMCU+BLEチップセットは、以下の構成要素の選択肢を与える:
a)EFM32(MCU Silicon Laboratories)+CC2541(BLEチップ Texas Instruments)若しくはBCM20732(Broadcom)、又は、
b)シングルチップソリューション形式のNordic Semiconductor NRF51822(同様のCortex M0コア及びBLE無線を備える)。BLEスタックは、チップメモリの約100kBを占める、基本となるNordicの独自OS(SoftDevice)により実現される。
The main requirements are low quiescent current for all components, ability to enter deep sleep mode, low current consumption in operating mode, low frequency mode / low power operation of real-time clock, and MCU and BLE Single battery operation (blue-tooth low energy). The 2013-2015 model MCU + BLE chipset gives you a choice of the following components:
a) EFM32 (MCU Silicon Laboratories) + CC2541 (BLE chip Texas Instruments) or BCM20732 (Broadcom), or
b) Nordic Semiconductor NRF51822 in the form of a single chip solution (with similar Cortex M0 core and BLE radio). The BLE stack is realized by a basic Nordic original OS (Soft Device) that occupies about 100 kB of chip memory.
これら2つのソリューションのいずれかが最近のBLEウェアラブルデバイスの90%で使用されている。今回の場合では、好ましい実施形態にはNordic Semiconductorによるシングルチップソリューションを用いる。主要な特徴は、以下の通りである:
1)リアルタイムクロックのための外部結晶、
2)256kbのメモリ(256kb〜100kb(SoftDevice)=プログラム及びストレージに156kB)
3)1uA範囲のスリープモード
4)全ての標準BLEプロファイルのサポート及び4dBmまでの調整可能な無線電力。
それは、今後の開発に有用であり得るANTプロトコルもサポートする。
Either of these two solutions is used in 90% of modern BLE wearable devices. In this case, the preferred embodiment uses a single chip solution from Nordic Semiconductor. The main features are as follows:
1) External crystal for real-time clock,
2) 256 kb memory (256 kb to 100 kb (Soft Device) = 156 kb for program and storage)
3) Sleep mode in 1uA range 4) Support for all standard BLE profiles and adjustable radio power up to 4dBm.
It also supports the ANT protocol, which can be useful for future development.
近赤外レーザダイオードシステムは、およそ30個の1570nm〜1600nmの可制御チャネル、及び1450〜1600の付加的な調整可能光源を提供する。 The near-infrared laser diode system provides approximately 30 1570 nm-1600 nm controllable channels and 1450-1600 additional adjustable light sources.
同様のポータブルデバイスは、タンパク質の検出、及び、食品損傷に関連付けられた様々な生化学的機構による食品損傷又は食品有機バイオマーカの検出を含む上記の他の実施形態及び用途に関して、使用することができる。 Similar portable devices can be used for the other embodiments and applications described above, including protein detection and detection of food damage or food organic biomarkers by various biochemical mechanisms associated with food damage. it can.
[OAM身体イメージング]
身体全身及びその一部分のイメージングが、殆どの生物医学的光学技術に不可欠である。過去の研究では、グルコース及びタンパク質が強い吸収を有するが、水が吸収減少を有する、NIRの選択透過窓におけるイメージング及び分光法が開発されている。グルコース又は他の化学化合物の光学検出は大抵の場合、他の分子からの強い吸収が見られない領域である必要があり、OAMビームを用いて行われるため、OAMによる体組織、脳、骨及び皮膚のイメージングを用いることができる。考え得る調査方法は、位相コントラスト及び暗視野イメージング、NIR及び複屈折イメージングにおける散乱媒質を介したOAMの弾道輸送である。ウェアラブルデバイスに利用可能なダイオードレーザを、好適な検出器を取得及び試験した後に、NIR OAMイメージングに組み込んでもよい。NIRにおける単一チャネル検出器は、2D CCDアレイよりも安価であるが、単一チャネル検出器を用いたイメージングの場合に走査システム及び画像構成ソフトウェアが必要とされる。
[OAM body imaging]
Imaging of the entire body and parts thereof is essential to most biomedical optical techniques. Past studies have developed imaging and spectroscopy in the selective transmission window of the NIR, where glucose and protein have strong absorption, but water has reduced absorption. Optical detection of glucose or other chemical compounds often needs to be in areas where there is no strong absorption from other molecules, and is performed using an OAM beam, so the body tissue, brain, bone and Skin imaging can be used. Possible investigation methods are ballistic transport of OAM through scattering media in phase contrast and dark field imaging, NIR and birefringence imaging. Diode lasers available for wearable devices may be incorporated into NIR OAM imaging after obtaining and testing a suitable detector. Single channel detectors in NIR are less expensive than 2D CCD arrays, but scanning systems and image construction software are required for imaging with single channel detectors.
[潜在用途]
広い電磁周波数範囲で動作する、偏光、波長及びOAM分光法が同時に可能な小型のハンドヘルド3D分光計は、食品及び空気の品質、家庭の生物的汚染物質、医薬識別、並びに健康関連問題等(虫歯のリアルタイム情報等)についての膨大な量の有用な情報を消費者に与える。本章は、3D分光法の幾つかの潜在用途の概要を示す。
[Potential use]
A small handheld 3D spectrometer capable of simultaneously operating polarization, wavelength and OAM spectroscopy, operating in a wide electromagnetic frequency range, can be used for food and air quality, household biological contaminants, pharmaceutical identification, health related issues, etc. Give consumers a huge amount of useful information about real-time information, etc.). This chapter gives an overview of some potential applications of 3D spectroscopy.
[食品産業]
食品物質は主に水、脂肪、タンパク質及び炭水化物からなる。食品物質の分子構造及び濃度がそれらの機能特性を左右する。これらの特性の定量化は、人間による食用又は曝露への適合性の最低基準に関する食品の品質(それらの保存寿命等のパラメータに影響し得る化学的、生物学的及び微生物的要因を含む)を決定する。食品供給チェーンの工業化における最近の進歩及び消費者の食習慣における変化は、安全性及び品質について食品を分析すべき速さについてより大きな要求を出している。この要求により、分光法等の適切な分析ツールが必要とされる。
[Food industry]
Food substances mainly consist of water, fat, protein and carbohydrates. The molecular structure and concentration of food substances influence their functional properties. The quantification of these characteristics is the quality of food (including chemical, biological and microbial factors that can affect parameters such as their shelf life) with respect to minimum standards for human edible or exposure suitability. decide. Recent advances in the industrialization of food supply chains and changes in consumer eating habits place greater demands on the speed with which food should be analyzed for safety and quality. This requirement requires an appropriate analytical tool such as spectroscopy.
食品分光法は試料調製、更には迅速な生産ライン測定を最小限しか又は全く必要としないことから、望ましい分析方法である。分光分析の性質を考えると、複数回の試験が試料に行われる可能性がある。 Food spectroscopy is a desirable analytical method because it requires minimal or no sample preparation and even rapid production line measurements. Given the nature of spectroscopic analysis, multiple tests may be performed on a sample.
食品供給の工業化生産ライン以外に、新規の分光学的技法は個々の消費者のレベルで用いることができる。例えば、個々の消費者は、ポケットサイズのレーザベース分光計を使用して食品中の糖濃度、食品全体の品質、成熟度を分光学的に測定するか、又は地元の食料品店でスイカが腐っていることを特定することができる。 Beyond food supply industrialized production lines, novel spectroscopic techniques can be used at the individual consumer level. For example, individual consumers can use a pocket-sized laser-based spectrometer to spectroscopically measure sugar concentration in food, overall food quality, maturity, or watermelons can be found at local grocery stores. Can be identified as rotten.
[防衛及び国家安全保障のためのナノスケール材料の開発]
防衛及び国家安全保障技術のためのナノスケール材料の開発は概して、対象の標的を認識するために結合部位を必要とする。幾つかの分光学的技法は現在、吸収、散乱(光の)(電子吸収(UV−vis)、フォトルミネセンス(PL)、赤外(IR)吸収及びラマン散乱等)に基づくものであるが、より進歩した技法として単一分子分光法、和周波発生及び発光アップコンバージョンが挙げられる。これらの分光法技術は、生物センサ及び化学センサとして用いられるナノスケール材料構造の製造プロセスに役立つ。
[Development of nanoscale materials for defense and national security]
The development of nanoscale materials for defense and national security technologies generally requires binding sites to recognize the target of interest. Some spectroscopic techniques are currently based on absorption, scattering (of light), such as electronic absorption (UV-vis), photoluminescence (PL), infrared (IR) absorption and Raman scattering. More advanced techniques include single molecule spectroscopy, sum frequency generation and luminescence upconversion. These spectroscopic techniques are useful in the manufacturing process of nanoscale material structures used as biosensors and chemical sensors.
[化学産業]
ガスセンサの光学分光法は、様々な環境、工業、医療、科学及び家庭での用途に有用である。ガスはヒトの健康に有害であり、大気汚染物質となり、又は工業若しくは医療目的ではその濃度に関して重要である可能性がある。警報を発することとは別に、しばしば、特定の標的ガス(他のガスとの混合物であることが多い)の正確なリアルタイム濃度を測定することが望ましい。消費者は、空中浮遊菌又は一酸化炭素等の生物学的又は化学的ハザードについて空気のモニタリングと、子供の遊び場、玩具及び寝室及びその周辺での界面活性剤汚染のモニタリングとに、家庭用装置を使用することができる。かかる装置は、施設管理者に潜在的な健康ハザードを警告するために学校の教室、事務所及びショッピングモールにおいて有用である。更なる装置が、様々な工業環境、例えば化学工場及び/又は石油化学工場において有用であり得る(近赤外分光法の使用を含むがこれに限定されない)。様々なガスの漏出を検出することの環境的利益の改善に加えて、かかる検出は、製品回収の増大及び政府罰金の削減のために漏出源を特定する様々な経済利益を工場作業者にもたらす。
[Chemical industry]
Gas sensor optical spectroscopy is useful in a variety of environmental, industrial, medical, scientific and home applications. Gases are harmful to human health, can be air pollutants, or can be important with regard to their concentrations for industrial or medical purposes. Apart from issuing an alarm, it is often desirable to measure the exact real-time concentration of a particular target gas (often in a mixture with other gases). Consumers are responsible for the monitoring of air for biological or chemical hazards, such as airborne bacteria or carbon monoxide, and monitoring of surfactant contamination in children's playgrounds, toys and bedrooms and their surroundings. Can be used. Such devices are useful in school classrooms, offices and shopping malls to alert facility managers of potential health hazards. Additional devices may be useful in various industrial environments, such as chemical and / or petrochemical plants (including but not limited to the use of near infrared spectroscopy). In addition to improving the environmental benefits of detecting various gas leaks, such detection provides plant operators with various economic benefits that identify the source of the leak to increase product recovery and reduce government fines. .
[医薬産業]
丸薬、カプセル及び液体中の高精密な薬物濃度の製造プロセスには、光学分光法技術によって行うことができるような厳密なリアルタイムのモニタリングが必要とされる。製造及び分配された後に、消費者は、携帯用デバイスに組み込まれる高度なリアルタイム分光技法を用いて丸薬及び医薬品を家庭で容易に特定することができる。
[Pharmaceutical industry]
The manufacturing process for high precision drug concentrations in pills, capsules and liquids requires close real-time monitoring as can be done by optical spectroscopy techniques. Once manufactured and distributed, consumers can easily identify pills and pharmaceuticals at home using advanced real-time spectroscopic techniques built into portable devices.
[医療産業]
疾患を非侵襲的に検出する、より洗練された光学生検技術の開発に強い関心が向けられている。これらの技術は、組織を患者の身体から取り出す必要なく光学的に生検することができる分光法によって行われ得る。かかる技術は正確な前立腺検査、乳房マンモグラム及び他の癌検出手順のためのフォトニクスフィンガーイメージャ(finger imager)を作製するために開発することができる。ポケットサイズの皮膚用分光計が患者に個人的なリアルタイム情報を与え、これを医療専門家との話し合いのために患者の医療記録と組み合わせることができる。
[Medical industry]
There is a strong interest in developing more sophisticated photogrammetric techniques that detect disease non-invasively. These techniques can be performed by spectroscopy that allows an optical biopsy to be performed without the need to remove tissue from the patient's body. Such techniques can be developed to create photonic finger imagers for accurate prostate examinations, breast mammograms and other cancer detection procedures. A pocket-sized skin spectrometer provides personal real-time information to the patient, which can be combined with the patient's medical records for discussion with a medical professional.
小さなハンドヘルド光学分光計の使用は、患者の日常的な健康維持スケジュールに組み込むことができる。例は、眼の定期検診における分光学的検出によるアルツハイマー病及びパーキンソン病に関連付けられた化学物質の早期検出である。 The use of a small handheld optical spectrometer can be incorporated into the patient's daily health maintenance schedule. An example is the early detection of chemicals associated with Alzheimer's disease and Parkinson's disease by spectroscopic detection in routine eye examinations.
[歯科]
毎日の個人的な歯の手入れには、小さなツール及び機器(歯ブラシ及びデンタルフロス等)が必要とされる。歯ブラシサイズの光学分光計が、小さな虫歯(齲蝕及び穴)の発生を検出し、かかりつけの歯医者への訪問の予定を組むよう消費者に警告する(訪問予定前に歯に特有の情報を歯医者に送ってもよい)のに有用であり得る。
[Dental]
Daily personal dental care requires small tools and equipment (such as toothbrushes and dental floss). A toothbrush-sized optical spectrometer detects the occurrence of small caries (caries and holes) and alerts the consumer to schedule a visit to his or her dentist May be useful).
[バイオメディカルフォトニクス]
これらの技術は、ニューロイメージング用途(酸素及び血流を測定する光学分光法及び相関法等);機能的近赤外分光法を用いた脳活動及び心理学の測定の定量的解釈を改善する機能イメージングのための新たな顕微鏡の開発;血流を測定する拡散相関分光法等の技術の開発;並びに脳内ヘモグロビンのマルチスペクトル光学イメージングの開発;に適用することができる(これらに限定されない)。
[Biomedical photonics]
These technologies are used in neuroimaging applications (such as optical spectroscopy and correlation methods to measure oxygen and blood flow); the ability to improve the quantitative interpretation of brain activity and psychological measurements using functional near-infrared spectroscopy It can be applied to the development of new microscopes for imaging; the development of techniques such as diffusion correlation spectroscopy for measuring blood flow; and the development of multispectral optical imaging of hemoglobin in the brain.
固有シグネチャに基づき、試料中の物質の存在を検出する本システム及び方法が本開示の利益を有する当業者に認められる。本明細書の図面及び詳細な説明が、限定的ではなく説明的にみなされるべきであり、開示される特定の形態及び例に限定されることを意図しないことを理解されたい。一方で、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、当業者に明らかな任意の更なる修飾、変化、再編成、置換え、代替、設計選択及び実施形態が含まれる。このため、添付の特許請求の範囲がこのような更なる修飾、変化、再編成、置換え、代替、設計選択及び実施形態を全て包含すると解釈されることが意図される。 Those skilled in the art having the benefit of this disclosure will recognize the present system and method for detecting the presence of a substance in a sample based on a unique signature. It should be understood that the drawings and detailed description herein are to be regarded as illustrative rather than restrictive, and are not intended to be limited to the particular forms and examples disclosed. On the other hand, any further modifications, changes, rearrangements, substitutions, alternatives, design choices and embodiments apparent to those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims Is included. Thus, it is intended that the appended claims be construed to include all such further modifications, variations, rearrangements, substitutions, alternatives, design choices and embodiments.
Claims (30)
少なくとも1つの光ビームを前記試料に通して指向させる発光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信する複数の分光ユニットであって、前記複数の分光ユニットは、受信した前記光ビームに基づいて前記試料の分光分析を行い、前記複数の分光ユニットの各々が、前記試料に関して異なるパラメータを分析し、前記分析に関して別個の出力信号を供給する、複数の分光ユニットと、
供給された前記別個の出力信号の各々に関して前記物質を検出するプロセッサと、
を備える、装置。 An apparatus for detecting a substance in a sample,
A light emitting unit for directing at least one light beam through the sample;
A plurality of spectroscopic units that receive the light beam that has passed through the sample, wherein the plurality of spectroscopic units perform spectroscopic analysis of the sample based on the received light beam, and each of the plurality of spectroscopic units A plurality of spectroscopic units that analyze different parameters for the sample and provide separate output signals for the analysis;
A processor for detecting the substance for each of the supplied separate output signals;
An apparatus comprising:
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に偏光波分析を行い、偏光パラメータ出力信号を生成する、第1の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に波長分析を行い、波長パラメータ出力信号を生成する、第2の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に軌道角運動量(OAM)分光分析を行い、OAMパラメータ出力信号を生成する、第3の分光ユニットと、
を更に備える、請求項1に記載の装置。 The plurality of spectroscopic units are
A first spectroscopic unit that receives the light beam that has passed through the sample and performs polarization wave analysis to generate a polarization parameter output signal;
A second spectroscopic unit that receives the light beam that has passed through the sample and performs wavelength analysis to generate a wavelength parameter output signal;
A third spectroscopic unit that receives the light beam that has passed through the sample and performs orbital angular momentum (OAM) spectroscopic analysis to generate an OAM parameter output signal;
The apparatus of claim 1, further comprising:
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共にラマン分光分析を行い、ラマンパラメータ出力信号を生成する、第1の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に赤外分光分析を行い、赤外パラメータ出力信号を生成する、第2の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に軌道角運動量(OAM)分光分析を行い、OAMパラメータ出力信号を生成する、第3の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に偏光波分析を行い、偏光パラメータ出力信号を生成する、第4の分光ユニットと、
を更に備える、請求項1に記載の装置。 The plurality of spectroscopic units are
A first spectroscopic unit that receives the light beam that has passed through the sample and performs Raman spectroscopic analysis to generate a Raman parameter output signal;
A second spectroscopic unit that receives the light beam that has passed through the sample and performs infrared spectroscopic analysis to generate an infrared parameter output signal;
A third spectroscopic unit that receives the light beam that has passed through the sample and performs orbital angular momentum (OAM) spectroscopic analysis to generate an OAM parameter output signal;
A fourth spectroscopic unit that receives the light beam that has passed through the sample and performs polarization wave analysis to generate a polarization parameter output signal;
The apparatus of claim 1, further comprising:
前記デュアルコム分光法ユニットは、対を成すコヒーレント周波数コムを用いて、前記試料から前記光ビームを受信すると共にデュアルコム分光分析を行い、出力信号を生成する、
請求項1に記載の装置。 At least one of the plurality of spectroscopy units comprises a dual comb spectroscopy unit;
The dual comb spectroscopy unit receives a pair of coherent frequency combs to receive the light beam from the sample and perform dual comb spectroscopy to generate an output signal;
The apparatus of claim 1.
前記光ビームを受信すると共にラマンサイドバンド分光分析を行い、第1の出力信号を生成する、第1の分光ユニットと、
前記光ビームを受信すると共に、OAMピンセットを用いたコロイド粒子操作を行う、第2の分光ユニットと、
を更に備え、前記光ビームは、OAMが与えられた光ビームを含む、
請求項1に記載の装置。 The plurality of spectroscopic units are
A first spectroscopic unit that receives the light beam and performs Raman sideband spectroscopic analysis to generate a first output signal;
A second spectroscopic unit that receives the light beam and performs colloidal particle manipulation using OAM tweezers;
The light beam includes a light beam provided with OAM,
The apparatus of claim 1.
前記光ビームを受信すると共に、ブロッホフレームワークの包絡波動関数に関連付けられた非局在化OAMを検出するOAM分光分析を行う、第1の分光ユニットと、
前記光ビームを受信すると共に、前記試料中の原子に関連付けられた局所OAMを検出するOAM分光分析を行う、第2の分光ユニットと、
を備える、請求項1に記載の装置。 At least one of the plurality of spectroscopic units is
A first spectroscopic unit that receives the light beam and performs OAM spectroscopic analysis to detect delocalized OAM associated with an envelope wave function of the Bloch framework;
A second spectroscopic unit that receives the light beam and performs OAM spectroscopic analysis to detect local OAM associated with atoms in the sample;
The apparatus of claim 1, comprising:
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に偏光波分析を行い、偏光パラメータ出力信号を生成する、第1の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に軌道角運動量(OAM)分光分析を行い、OAMパラメータ出力信号を生成する、第2の分光ユニットと、
を備え、さらに、前記プロセッサが、前記偏光パラメータ出力信号及び前記OAMパラメータ出力信号によって示される前記試料中の前記物質についての固有シグネチャを検出する、請求項1に記載の装置。 The plurality of spectroscopic units are
A first spectroscopic unit that receives the light beam that has passed through the sample and performs polarization wave analysis to generate a polarization parameter output signal;
A second spectroscopic unit that receives the light beam that has passed through the sample and performs orbital angular momentum (OAM) spectroscopic analysis to generate an OAM parameter output signal;
The apparatus of claim 1, further comprising: the processor detecting a unique signature for the substance in the sample indicated by the polarization parameter output signal and the OAM parameter output signal.
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に軌道角運動量(OAM)分光分析を行い、OAMパラメータ出力信号を生成する、第1の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に蛍光分光分析を行い、前記試料中の発光スペクトル及び励起スペクトルを検出し、蛍光パラメータ出力信号を生成する、第2の分光ユニットと、
を備える、請求項1に記載の装置。 The plurality of spectroscopic units are
A first spectroscopic unit that receives the light beam that has passed through the sample and performs orbital angular momentum (OAM) spectroscopic analysis to generate an OAM parameter output signal;
A second spectroscopic unit that receives the light beam that has passed through the sample and performs fluorescence spectroscopic analysis, detects an emission spectrum and an excitation spectrum in the sample, and generates a fluorescence parameter output signal;
The apparatus of claim 1, comprising:
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に軌道角運動量(OAM)分光分析を行い、OAMパラメータ出力信号を生成する、第1の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共にテラヘルツ(THz)分光分析を行い、蛍光パラメータ出力信号を生成する、第2の分光ユニットと、
を備える、請求項1に記載の装置。 The plurality of spectroscopic units are
A first spectroscopic unit that receives the light beam that has passed through the sample and performs orbital angular momentum (OAM) spectroscopic analysis to generate an OAM parameter output signal;
A second spectroscopic unit that receives the light beam that has passed through the sample and performs terahertz (THz) spectroscopic analysis to generate a fluorescence parameter output signal;
The apparatus of claim 1, comprising:
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共に軌道角運動量(OAM)分光分析を行い、OAMパラメータ出力信号を生成する、第1の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記光ビームを受信すると共にラマン分光分析を行い、ラマンパラメータ出力信号を生成する、第2の分光ユニットと、
前記光ビームを受信し、偏光ラマン分光分析を行い、第3の出力信号を生成する、第3の分光ユニットと、
前記光ビームを受信し、非偏光ラマン分光分析を行い、第4の出力信号を生成する、第4の分光ユニットと、
を更に備え、
前記第2の分光ユニットのラマン分光分析は、受信した前記光ビーム中の光渦を更に検出する、請求項1に記載の装置。 The plurality of spectroscopic units are
A first spectroscopic unit that receives the light beam that has passed through the sample and performs orbital angular momentum (OAM) spectroscopic analysis to generate an OAM parameter output signal;
A second spectroscopic unit that receives the light beam that has passed through the sample and performs Raman spectroscopic analysis to generate a Raman parameter output signal;
A third spectroscopic unit that receives the light beam, performs polarization Raman spectroscopic analysis, and generates a third output signal;
A fourth spectroscopic unit that receives the light beam, performs non-polarized Raman spectroscopic analysis, and generates a fourth output signal;
Further comprising
The apparatus of claim 1, wherein the Raman spectroscopic analysis of the second spectroscopic unit further detects optical vortices in the received light beam.
少なくとも1つの光ビームを前記試料に通して指向させることと、
前記試料を通過した前記光ビームを複数の分光ユニットで受信することと、
前記複数の分光ユニットの各々で受信した前記光ビームに基づいて、前記試料に関して異なるパラメータを分析することによって、前記試料の分光分析を行うことと、
前記複数の分光ユニットの各々で前記分析に関して別個の出力信号を供給することと、
前記試料中の前記物質を、供給された前記別個の出力信号の各々に関して検出することと、
を含む、方法。 A method for detecting a substance in a sample, comprising:
Directing at least one light beam through the sample;
Receiving the light beam that has passed through the sample with a plurality of spectroscopic units;
Performing spectroscopic analysis of the sample by analyzing different parameters for the sample based on the light beam received by each of the plurality of spectroscopic units;
Providing a separate output signal for the analysis at each of the plurality of spectroscopic units;
Detecting the substance in the sample for each of the supplied discrete output signals;
Including a method.
偏光波分析を行い、偏光パラメータ出力信号を生成することと、
波長分析を行い、波長パラメータ出力信号を生成することと、
軌道角運動量(OAM)分光分析を行い、OAMパラメータ出力信号を生成することと、
を更に含む、請求項15に記載の方法。 The step of performing the spectroscopic analysis includes
Performing polarization wave analysis and generating a polarization parameter output signal;
Performing wavelength analysis and generating a wavelength parameter output signal;
Performing orbital angular momentum (OAM) spectroscopic analysis and generating an OAM parameter output signal;
16. The method of claim 15, further comprising:
ラマン分光分析を行い、ラマンパラメータ出力信号を生成することと、
赤外分光分析を行い、赤外パラメータ出力信号を生成することと、
軌道角運動量(OAM)分光分析を行い、OAMパラメータ出力信号を生成することと、
偏光波分析を行い、偏光パラメータ出力信号を生成することと、
を更に含む、請求項16に記載の方法。 The step of performing the spectroscopic analysis includes
Performing Raman spectroscopy and generating a Raman parameter output signal;
Performing infrared spectroscopy and generating an infrared parameter output signal;
Performing orbital angular momentum (OAM) spectroscopic analysis and generating an OAM parameter output signal;
Performing polarization wave analysis and generating a polarization parameter output signal;
The method of claim 16, further comprising:
ラマンサイドバンド分光分析を行い、第1の出力信号を生成することと、
OAMピンセットを用いたコロイド粒子操作を行うことと、
を更に含み、前記光ビームは、OAMが与えられた光ビームを含む、請求項15に記載の方法。 The step of performing the spectroscopic analysis includes
Performing a Raman sideband spectroscopic analysis and generating a first output signal;
Performing colloidal particle manipulation using OAM tweezers;
16. The method of claim 15, wherein the light beam comprises a light beam provided with OAM.
ブロッホフレームワークの包絡波動関数に関連付けられた非局在化OAMを検出するOAM分光分析を行うことと、
前記試料中の原子に関連付けられた局所OAMを検出するOAM分光分析を行うことと、
を更に含む、請求項15に記載の方法。 The step of performing the spectroscopic analysis includes
Performing OAM spectroscopy to detect delocalized OAM associated with the Bloch framework envelope wave function;
Performing OAM spectroscopy to detect local OAM associated with the atoms in the sample;
16. The method of claim 15, further comprising:
偏光波分析を行い、偏光パラメータ出力信号を生成することと、
軌道角運動量(OAM)分光分析を行い、OAMパラメータ出力信号を生成することと、
を更に含み、
前記検出する工程は、前記偏光パラメータ出力信号及び前記OAMパラメータ出力信号によって示される前記試料中の前記物質についての固有シグネチャを検出することを更に含む、請求項15に記載の方法。 The step of performing the spectroscopic analysis includes
Performing polarization wave analysis and generating a polarization parameter output signal;
Performing orbital angular momentum (OAM) spectroscopic analysis and generating an OAM parameter output signal;
Further including
16. The method of claim 15, wherein the detecting step further comprises detecting a unique signature for the substance in the sample indicated by the polarization parameter output signal and the OAM parameter output signal.
軌道角運動量(OAM)分光分析を行い、OAMパラメータ出力信号を生成することと、
蛍光分光分析を行い、前記試料中の発光スペクトル及び励起スペクトルを検出し、蛍光パラメータ出力信号を生成することと、
を更に含む、請求項15に記載の方法。 The step of performing the spectroscopic analysis includes
Performing orbital angular momentum (OAM) spectroscopic analysis and generating an OAM parameter output signal;
Performing fluorescence spectroscopy, detecting an emission spectrum and an excitation spectrum in the sample, and generating a fluorescence parameter output signal;
16. The method of claim 15, further comprising:
励起用放射を固定波長に保持することと、
放出蛍光強度を発光波長の関数として測定することと、
を更に含む、請求項22に記載の方法。 Performing the fluorescence spectroscopic analysis,
Holding the excitation radiation at a fixed wavelength;
Measuring the emitted fluorescence intensity as a function of the emission wavelength;
The method of claim 22, further comprising:
軌道角運動量(OAM)分光分析を行い、OAMパラメータ出力信号を生成することと、
テラヘルツ(THz)分光分析を行い、蛍光パラメータ出力信号を生成することと、
を更に含む、請求項15に記載の方法。 The step of performing the spectroscopic analysis includes
Performing orbital angular momentum (OAM) spectroscopic analysis and generating an OAM parameter output signal;
Performing terahertz (THz) spectroscopic analysis and generating a fluorescence parameter output signal;
16. The method of claim 15, further comprising:
軌道角運動量(OAM)分光分析を行い、OAMパラメータ出力信号を生成することと、
ラマン分光分析を行い、ラマンパラメータ出力信号を生成し、受信した前記光ビーム中の光渦を検出することと、
偏光ラマン分光分析を行うと共に、第3の出力信号を生成することと、
非偏光ラマン分光分析を行うと共に、第4の出力信号を生成することと、
を更に含む、請求項15に記載の方法。 The step of performing the spectroscopic analysis includes
Performing orbital angular momentum (OAM) spectroscopic analysis and generating an OAM parameter output signal;
Performing Raman spectroscopy, generating a Raman parameter output signal, detecting a light vortex in the received light beam;
Performing polarization Raman spectroscopy and generating a third output signal;
Performing non-polarized Raman spectroscopy and generating a fourth output signal;
16. The method of claim 15, further comprising:
少なくとも1つの光ビームを前記試料に通して指向させる発光ユニットと、
前記試料を通過した前記少なくとも1つの光ビームを受信すると共に、軌道角運動量(OAM)分光分析を行い、OAMパラメータ出力信号を生成する、第1の分光ユニットと、
前記試料を通過した前記少なくとも1つの光ビームを受信すると共に、受信した前記少なくとも1つの光ビームに基づく前記試料の分光分析を行う、少なくとも1つの第2の分光ユニットであって、前記少なくとも1つの分光ユニットの各々は、軌道角運動量以外のパラメータを分析し、前記分析に関して別個の出力信号を供給する、第2の分光ユニットと、
前記OAMパラメータ出力信号と、供給された前記別個の出力信号の各々とに関して前記物質を検出する、プロセッサと、
を備える、装置。 An apparatus for detecting a substance in a sample,
A light emitting unit for directing at least one light beam through the sample;
A first spectroscopic unit that receives the at least one light beam that has passed through the sample and performs orbital angular momentum (OAM) spectroscopic analysis to generate an OAM parameter output signal;
At least one second spectroscopic unit for receiving the at least one light beam that has passed through the sample and performing spectroscopic analysis of the sample based on the received at least one light beam, the at least one second spectroscopic unit; Each of the spectroscopic units analyzes a parameter other than orbital angular momentum and provides a separate output signal for said analysis;
A processor for detecting the substance with respect to the OAM parameter output signal and each of the supplied separate output signals;
An apparatus comprising:
少なくとも1つの光ビームを前記試料に通して指向させることと、
前記試料を通過した前記光ビームを複数の分光ユニットで受信することと、
軌道角運動量(OAM)分光分析を行うことと、
前記OAM分光分析に応答してOAMパラメータ出力信号を生成することと、
受信した前記少なくとも1つの光ビームに基づいて前記試料の少なくとも1回の分光分析を行うことであって、前記少なくとも1回の分光分析の各々は、軌道角運動量以外のパラメータを分析する、分光分析を行うことと、
前記分光分析に関して前記複数の分光ユニットの各々で別個の出力信号を供給することと、
供給された前記別個の出力信号の各々に関して前記試料中の前記物質を検出することと、
を含む、方法。 A method for detecting a substance in a sample, comprising:
Directing at least one light beam through the sample;
Receiving the light beam that has passed through the sample with a plurality of spectroscopic units;
Performing orbital angular momentum (OAM) spectroscopy,
Generating an OAM parameter output signal in response to the OAM spectroscopic analysis;
Performing at least one spectroscopic analysis of the sample based on the received at least one light beam, wherein each of the at least one spectroscopic analysis analyzes parameters other than orbital angular momentum And doing
Providing a separate output signal at each of the plurality of spectroscopic units for the spectroscopic analysis;
Detecting the substance in the sample for each of the supplied discrete output signals;
Including a method.
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