CN108780042A - 用于多参数光谱的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测样品中的物质的装置，包括用于引导至少一个光束穿过样品的发光单元。多个单元接收通过所述样品的所述光束，并基于所述接收的光束来执行所述样品的光谱分析。所述多个单元中的每一个单元分析有关所述样品的不同参数，以提供关于所述分析的单独的输出信号。处理器检测与所提供的单独的输出信号有关的物质。

Description

用于多参数光谱的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年1月13日提交的发明名称为“多参数光谱”的申请号为62/278,186(代理人案号为NXGN-32968)的美国临时申请的权益，于2016年4月14日提交的发明名称为“具有轨道角动量的拉曼光谱”的申请号为62/322,507(代理人案号为NXGN-33094)的美国临时申请的权益，发明名称为“因斯-高斯光谱”的申请号为62/365,486(代理人案号为NXGN-33217)的美国临时申请的权益，以及于2014年11月19日提交的发明名称为“用于浓度测量的不同特征”的申请号为62/081,846(代理人案号为NXGN-32424)的美国临时申请的权益，其内容通过引用整体并入本文。

本申请也是于2014年7月24日提交的发明名称为“利用轨道角动量进行样品物质内的浓度测量的系统和方法”的申请号为14/339,836(代理人案号为NXGN-32196)的美国申请的部分继续申请，该美国申请于2015年9月17日公开，其美国申请公开号为2015-0260650。本申请也是于2015年10月5日提交的发明名称为“用于通过利用轨道角动量检测β淀粉样蛋白进行阿尔茨海默病的早期检测的系统和方法”的申请号为14/875,507(代理人案号为NXGN-32776)的美国申请的部分继续申请。美国申请号14/339,836和14/875,507，以及美国申请公开号2015-0260650通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及样品内的物质检测，并且更具体地涉及基于多参数光谱检测样品内的物质。

背景技术

有机物质和非有机物质的存在检测和浓度测量在许多应用中受到极大的关注。在一个示例中，对人体组织内的物质的检测正成为个人健康护理的越来越重要的方面。用于监测人体组织内的生物制剂和新陈代谢制剂的非侵入性测量技术的发展是诊断治疗各种人类疾病的重要方面，并且可以在疾病的合理管理中起到关键作用。用于监测人体组织内的生物制剂和新陈代谢制剂的非侵入性测量技术的发展是诊断治疗各种人类疾病的重要方面，并且可以在疾病的合理管理中起到关键作用。一种这样的与阿尔茨海默病有关的物质是β淀粉样蛋白。因此，需要一种改进的β淀粉样蛋白检测方法以便更好地改进阿尔茨海默病的早期阶段的检测。

另一种可以被监测的用于人体组织内的生物制剂的示例是葡萄糖。葡萄糖(C₆H₁₂O₆)是一种单糖类糖并且是最重要的碳水化合物营养源之一。葡萄糖对于几乎所有的生物过程是必需的，并且对于生成ATP三磷酸腺苷和其他必需的细胞成分是必要的。人体血液内的葡萄糖浓度的正常范围是70mg/dl-160mg/dl，这取决于最后一餐的时间、体能耐力的程度以及其他因素。自由循环的葡萄糖分子刺激来自胰腺的胰岛素的释放。胰岛素通过结合细胞膜(对于葡萄糖来说通常是不可渗透的)内的两个特定受体帮助葡萄糖分子渗透细胞壁。

与葡萄糖浓度相关的问题关联的一种疾病是糖尿病。糖尿病是由于胰岛素的产生降低，或是由于利用胰岛素以及传输葡萄糖穿过细胞膜的能力降低而引起的紊乱。结果，在疾病期间，高潜在风险浓度的葡萄糖可能在血液内积累(高血糖症)。因此，为了防止可能的严重生理并发症，将血糖浓度保持在正常范围内是非常重要的。

生理葡萄糖监测的一个重要作用是诊断和管理几种代谢性疾病，如糖尿病(或单纯的糖尿病)。目前有许多用于葡萄糖监测的侵入性和非侵入性技术。现有的非侵入性葡萄糖监测技术的问题在于尚未确定临床上可接受的过程。当前来自血液分析的标准技术涉及个别刺穿手指并且随后分析从该手指采集的血液样品。近年来，非侵入性血糖监测在生物医学工程领域中已经成为越来越重要的研究课题。特别地，引入光学方法引起了该领域内的一些进展。光学的进步已经引起对光学成像技术的浓厚兴趣以及非侵入性成像系统的发展。由于光学检测方法的简单性和低风险，应用光学方法在癌症诊断和治疗中进行监测也是一个正在发展的领域。除了医学领域之外，在各种其他环境中检测各种类型的物质将是显而易见的。

用于感测活体组织内的不同组织代谢物和葡萄糖的多种光学技术已经在过去的50年取得了发展。这些方法基于荧光、近红外和中红外光谱、拉曼光谱、光声学、光学相干层析成像及其他技术。然而，已经尝试过的这些技术中没有一种经证明是完全令人满意的。

适用于光学物质浓度感测的另一个器官部分是人类皮肤。人类皮肤的防御机制是基于诸如类胡萝卜素、维生素和酶的抗氧化物质的作用。β-胡萝卜素和番茄红素代表了超过70％的人体组织中的类胡萝卜素。β-胡萝卜素和番茄红素的局部或系统应用是用于提高人体防御系统的通用策略。这种治疗的评价和优化需要测量在人体组织内的(特别是在作为对环境的屏障的人体皮肤内的)β-胡萝卜素和番茄红素的浓度。

因此，能够检测人体或其他类型的样品内的多种物质的存在以及浓度的改进的非侵入性技术将在医学领域中具有多种应用。

发明内容

正如在本文公开和描述的，在本发明的一个方面，本发明包括用于检测样品内的物质的装置，该装置包括用于引导至少一个光束穿过样品的发光单元。多个光谱单元接收穿过样品的光束，并基于接收的光束对样品进行光谱分析。多个光谱单元中的每一个分析有关样品的不同参数，提供有关分析的单独的输出信号。处理器检测与所提供的单独的输出信号中的每一个有关的物质。

附图说明

为了更全面地理解，现在结合附图参考以下描述，其中：

图1示出了用于使用轨道角动量特征检测样品内的物质的存在的方式；

图2示出了OAM生成器生成OAM扭转光束的方式；

图3示出了具有赋予其的轨道角动量的光束；

图4示出了一系列平行波前；

图5示出了具有围绕波前的传播方向成螺旋状的坡印亭矢量的波前；

图6示出了平面波前；

图7示出了螺旋波前；

图8示出了仅在自旋矢量中具有变化的平面波；

图9示出了向波施加唯一的轨道角动量；

图10A-10C示出了具有施加到其上的不同轨道角动量的信号之间的差异；

图11A示出了用于各种本征模式的坡印亭矢量的传播；

图11B示出了螺旋相位板；

图12示出了用于使用轨道角动量提供各种物质的浓度测量和存在检测的装置的框图；

图13示出了图11的系统的发射器；

图14示出了图11的系统的固定轨道角动量发生器；

图15A-15D示出了用于向平面波信号施加轨道角动量的各种全息图；

图16示出了厄米-高斯模和拉盖尔-高斯模之间的关系；

图17示出了用于向信号施加轨道角动量的叠加全息图；

图18示出了用于图11的系统中的可调谐轨道角动量发生器；

图19示出了包括其中的多个全息图图像的可调谐轨道角动量发生器的框图；

图20示出了其中通过向其施加不同的轨道角动量可以改变OAM生成器的输出的方式；

图21示出了一种可替代方式，其中，OAM生成器可以将厄米-高斯光束转换为拉盖尔-高斯光束；

图22示出了其中在OAM生成器内的全息图可以扭转光束的方式；

图23示出了其中样品接收OAM扭转波并提供具有特定OAM特征的输出波的方式；

图24示出了其中轨道角动量与围绕其光束轴的分子相互作用的方式；

图25示出了用于放大接收的轨道角动量信号的匹配电路的框图；

图26示出了其中匹配模块可以使用非线性晶体以产生较高阶轨道角动量光束的方式；

图27示出了轨道角动量检测器和用户界面的框图；

图28示出了样品浓度对通过样品的光束的自旋角偏振和轨道角偏振的影响；

图29更具体地示出了改变通过样品的光束的轨道角动量偏振的过程；

图30提供了图12的系统的用户界面的框图；

图31示出了用于如图15中所示的通过设备传送收集的数据的网络配置；

图32提供了用于使用轨道角动量测量葡萄糖的浓度和存在的装置的更具体的实施例的框图；

图33示出了用于检测通过测试中的样品的信号的唯一OAM特征的光学系统；

图34示出了其中通过样品后的OAM强度图的椭圆率变化的方式；

图35示出了其中通过样品后强度图的重心偏移的方式；

图36示出了其中通过样品后强度图的轴线偏移的方式；

图37A示出了仅由水组成的样品的OAM特征；

图37B示出了在水中包含15％葡萄糖的样品的OAM特征；

图38A示出了仅由水组成的样品的干涉图；

图38B示出了在水中包含15％葡萄糖的样品的干涉图；

图39示出了OAM光束的振幅；

图40示出了OAM光束的相位；

图41是示出用于三种不同的OAM模式的比色皿的输出上的光束的椭圆率的图表；

图42A-42C示出了通过比色皿、水和葡萄糖的传播以及用于比色皿、水和葡萄糖的环形光束；

图43示出了针对不同驱动电压的通过水的OAM传播；

图44示出了由全息图改变的光束以产生OAM扭转光束的示例；

图45示出了由空间光调制器产生的各种OAM模式；

图46示出了椭圆形；

图47是示出用于分析强度图像的过程的流程图；

图48示出了椭圆拟合算法；

图49示出了分数正交状态的生成；

图50示出了使用空间光调制器来生成分数OAM光束；

图51示出了利用叠加的拉盖尔高斯光束生成分数OAM光束的一种方式；

图52示出了将分数OAM光束分解为整数OAM状态；

图53示出了其中空间光调制器可以生成用于提供分数OAM光束的全息图的方式；

图54示出了用以生成非整数OAM光束的全息图的生成；

图55是示出用于生成非整数OAM光束的全息图的生成的流程图；

图56示出了非整数OAM光束的强度和相位分布轮廓；

图57是示出用于OAM光谱分析的分数OAM光束的框图；

图58示出了OAM状态分布轮廓的示例；

图59示出了用于组合多个变化的光谱学技术以提供多参数光谱学分析的方式；

图60示出了用于在光谱中进行相对测量的规格参数的示意图；

图61示出了电磁波谱；

图62示出了水蒸气的红外光谱；

图63示出了水的拉伸和弯曲振动模式；

图64示出了CO₂的拉伸和弯曲振动模式；

图65示出了二氧化碳的红外光谱；

图66示出了作为原子间距离的函数的非谐振子的能量；

图67示出了振动弹簧和量化能级的能量曲线；

图68示出了通过斯托克斯和反斯托克斯共振的瑞利散射和拉曼散射；

图69示出了用于执行偏振拉曼技术的电路；

图70示出了用于组合偏振和非偏振拉曼光谱的电路；

图71示出了具有光学涡旋的偏振和非偏振拉曼光谱的组合；

图72示出了大气水分对电磁波的衰减与频率和波长的关系图；

图73示出了与荧光光谱相关联的吸收和发射序列；

图74A示出了各种物质的吸收光谱；

图74B示出了各种物质的荧光光谱；

图75示出了泵浦-探测光谱学布置；

图76示出了增强的拉曼信号；

图77示出了泵浦-探测OAM光谱学布置；

图78示出了测量的OAM光束的偏心率；

图79示出了用于产生差分信号的拉曼光谱和OAM光谱的组合；

图80示出了对准过程的流程图；

图81示出了平衡检测方案；

图82示出了椭圆坐标系；

图83示出了具有常数ξ的追踪边缘；

图84示出了具有常数η的追踪双曲线；

图85A和85B示出了偶数因斯多项式；

图86示出了用于偶数因斯模式的模和相位；

图87A和87B示出了奇数因斯多项式；

图88示出了奇数因斯模式的模和相位；

图89示出了双补偿光谱；以及

图90示出了可穿戴的多参数光谱学设备。

具体实施方式

现在参考附图，其中，在此使用相同的参考数字自始至终表示相同的元件，示出并描述了用于使用轨道角动量特征检测物质的系统和方法的各种视图和实施例，并描述了其它可能的实施例。附图不必要按比例绘制，并且在一些示例中，附图在某些地方被夸大和/或简化，仅仅是为了说明的目的。本领域的普通技术人员将认识到基于可能实施例的以下示例的许多可能的应用和变化。

现在参考附图，更具体地参考图1，其示出了基于赋予通过样品的信号的唯一轨道角动量特征来检测样品内特定物质的存在的方式。其中具有一系列平面波的光信号102被施加到诸如空间光调制器(SLM)104的、用于向光信号102施加轨道角动量(OAM)信号的设备。虽然本实施例设想了光信号102的使用，但在可替代实施例中可以使用具有轨道角动量的其它类型的信号或其它正交信号。SLM104生成输出信号106，其具有施加到上述信号的已知的OAM扭转。OAM扭转具有已知的特性，这些特性在将输出信号106施加到样品108之前充当基线。样品108可以包括容纳在诸如比色皿之类的保持容器内的物质，或者可以是处于其自然状态的物质，例如患者的眼睛或身体或在自然界中自然发生的位置。样品108仅表示正由所描述的系统检测的感兴趣的特定物质或物品。当通过样品108时，输出信号106具有施加到其上的唯一的OAM特征，其被提供作为独特的OAM特征信号110。已经观察到OAM光束在与手性溶液相互作用时呈现出唯一的拓扑演化。虽然已经发现手性分子在OAM光束通过手性物质的样品时产生唯一的OAM特征，但是也可以从通过非手性分子/物质的信号生成唯一的OAM特征。给出这些独特的拓扑特征，可以检测在振幅和相位测量方面都具有特定特征的给定溶液中的分子的存在。然后可以使用例如照相机112检查该不同的特征信号110以检测施加到其上的唯一的信号特征，并基于该唯一的特征确定样品内的物质。用于检测不同分子的多参数光谱的应用可被应用于不同的行业，包括但不限于食品(食品腐败的鉴定)，用于防御和国家安全的纳米物质开发，化学工业，用于其中非侵入性溶液至关重要的检测的制药和医疗行业，用于鉴定感染、癌细胞、有机化合物的医疗和牙科行业，以及许多其他行业。通过将该特征与包括有与特定物质或浓度相关联的已知特征的唯一的特征数据库相比较，可以在一个实施例中确定由该唯一特征表示的特定物质。创建这种数据库的方式对于本领域技术人员来说是公知的。

现在参考图2，其示出了OAM生成器220可以生成OAM扭转光束222的方式。OAM生成器210可以使用任意数量的装置以生成扭转光束222，所述装置包括具有振幅掩模的全息图、具有相位掩模的全息图、空间光调制器(SLM)或数字光处理器(DLP)。OAM生成器220接收光束221(例如来自激光器)，其包括一系列平面波。OAM生成器220向光束222施加轨道角动量。光束222包括如强度图223所示的单个OAM模式。OAM扭转光束222通过包括正被检测的物质的样品224。如前所述，样品224可以在容器中或在其自然发生的位置。样品224内的物质的存在将在强度图225内产生新的OAM模式级别。一旦光束222穿过样品224，基于特定浓度的特定物质的检测，输出光束226将具有与其相关联的三个不同的特征。这些特征包括强度图案的偏心率228的变化，强度图案的重心的偏移或平移230，以及椭圆形强度图案输出的三个通用方向(α,β,γ)的旋转232。这些不同的特征指示中的每一个可以以任何配置发生，并且每个不同的特征将提供特定物质的存在和这些检测到的物质的浓度的唯一指示。当检测到在测量中的分子时，这三个不同的特征将出现，并且这些特征的变化方式表示浓度水平。从通过样品224的光束中检测螺旋光谱涉及从样品物质中检测螺旋波散射(前向和后向)。

使用上述配置证实了光的OAM用于葡萄糖、β淀粉样蛋白以及其他手性物质的计量学的用途。观察到OAM光束在与3cm光路链路内的手性溶液相互作用时呈现出独特的拓扑演化。应当认识到，独特的拓扑演化也可以由非手性物质提供。已经观察到诸如β淀粉样蛋白、葡萄糖等的手性溶液使轨道角动量(OAM)光束当与其相互作用时呈现出独特的拓扑演化。通常自然散射的光子不携带OAM，其使用扭转光束在鉴定手性分子的螺旋度时更精确，因为OAM在其检测时不具有环境光散射(噪音)。因此，由物质赋予的唯一的OAM特征不受环境光散射(噪声)(其在自然散射的光子中不携带OAM)的干扰，使得检测更加准确。给出这些独特的拓扑特征，可以基于在振幅和相位测量中的特定特征，检测给定样品中的β淀粉样蛋白的存在和浓度。分子手性表示与空间反演或反演和旋转的组合的方差相关联的结构手性，相当于缺少任何合适的旋转轴的常规标准。某物在不能与其映像相同的情况下是手性的。不能与其镜像重叠的手性分子被称为对映体。传统上，结合圆偏振光，即使在光学旋转的情况下，该现象的解释通常需要将平面偏振状态理解为具有相反手性的圆偏振的叠加。对于圆偏振光，左右形态表示本征自旋角动量的符号，±h，以及相关电磁场矢量所描述的轨迹的螺旋性。为此，其与物质的相互作用是对映体特异性的。

连续对称测量(CSM)用于评估分子的对称程度，或手性。该值在0-100的范围内。分子的对称值越高，分子的对称扭曲越多，并且分子越手性。该测量基于手性分子与最接近的非手性分子之间的最小距离。

可根据以下方程实现连续对称测量：

Q_k:初始结构；

对称操作的结构；

N:顶点的数量；

d:尺寸标准化因子；

*范围是0-1(0-100)：

S(G)越大，偏离G-对称的程度越高。

作为连续手性测量的SG可以根据下式确定：

G:使S(G)最小化的非手性对称点组；

非手性分子：S(G)＝0。

非手性分子具有S(G)＝0的值。分子越手性，S(G)的值越高。

通过实现设计光学涡旋的可能性，增强了对轨道角动量的显著兴趣。这里，在电磁场的波前表面中存在螺旋性，并且相关联的角动量被称为"轨道"。辐射本身通常被称为"扭转"或"螺旋"光束。主要是，仅在它们与非手性物质的相互作用中研究了光学涡旋——唯一明显的例外是最近对液晶的一些研究。如果利用这些光束访问任何其光学响应与对映体特异性分子相关联的系统，则评估什么新特征(如果有的话)可以被预期是适时的并且是受关注的光束。

首先以通用形式构建用于光学交互中的手性表现的标准。为了简单起见，假定具有独特的对映体特异性的物质—表示手性对于包括在光学响应中的所有的分子组分(或发色团)是本征的和共有的。对于这种类型系统的结果也将应用于单分子研究。较长范围的平移/旋转顺序也可以产生手性，例如在扭转向列晶体中，但这样的介观手性不能直接产生对映体特异性交互。唯一的例外是光波探测两个或更多个电子上不同的、不对称取向的、但本质上是非手性的分子或发色团。

可以通过它们的电磁源来区分手性光学交互：对于在它们通常的单线电子基态下的分子系统，它们涉及与光学辐射的输入相关联的电场和磁场的空间变化。在空间上的这种变化可以被理解为通过其与双对称放置的相邻的发色团基团(Kirkwood的双基团模型，有限的应用)耦合来实现手性，或者更一般地通过其相关联的电场和磁场与个别基团的耦合来实现手性。手性表示奇偶校验的局部断裂，其允许电和磁交互的干扰。甚至在两个基团的情况中，所述系统的成对电交互对应于所述两个基团包括的单一实体的电和磁交互。因此，为了方便起见，术语“手性中心”在下文中用于表示发色团或分子。

随着激光的出现，波动方程的高斯光束解成为普通的工程用语，以及其延伸两个较高阶激光模式，用于笛卡尔对称的厄米高斯；用于圆柱形对称的拉盖尔高斯等，进入实验室光学运算。较高阶的拉盖尔高斯光束模式表现出螺旋或螺旋相位前。因此，传播矢量，或光束的光程函数，以及光束动量，包括除了自旋角动量之外的轨道角动量，即，围绕海轴线的摆动。这种现象通常被称为涡旋。以圆柱坐标给出了拉盖尔高斯光束的表达式：

这里，w(x)为束斑大小，q(c)是包括球面波前和斑尺寸的演化的复光束参数。整数p和m分别为径向和方位模。术语exp(imθ)描述了螺旋相位前。

现在还参考图3，其示出了与系统一起使用的光束的一个实施例。光束300由光束300内的光子流302组成。每个光子具有能量和沿与波前垂直的光束轴线304导向的线性动量与频率无关，光束中的每个光子302具有与光束传播方向平行或反平行的对准的自旋角动量306。所有光子302自旋的对准引起圆偏振光束。除了圆偏振之外，光束还可以承载轨道角动量308，其不依赖于圆偏振并且因此与光子自旋无关。

激光器被广泛应用于光学实验中，作为限定频率的良好的光束源。激光器可用于提供光束300。在任何光束300中的能量通量由坡印亭矢量给出，坡印亭矢量可以从光束中的电场和磁场的向量积计算出。在真空或任何各向同性物质中，所述坡印亭矢量与波矢量平行且垂直于所述光束的波前。在正常激光中，如图4所示，波前400是平行的。所述光子的波矢量和线性动量沿z方向的轴线402定导向。这些光束的场分布对于麦克斯韦的波动方程是傍轴的解，尽管这些简单的光束是最常见的，但是存在其它可能性。

例如，具有l缠绕的螺旋面前的光束也是波动方程的解。这些复杂的光束的结构难以直观化，但它们的形式与l＝3的螺旋意大利面类似。最重要的是，波前具有坡印亭矢量和围绕传播的光束轴线方向螺旋的波矢量，如图5中的502所示。

坡印亭矢量在波前上具有方位角分量和在光束横截面上积分时具有的非零结果。圆偏振光的自旋角动量可以以类似的方式进行解释。具有圆偏振的平面波前的光束，即使其没有轨道角动量，也具有与径向强度梯度成比例的坡印亭矢量的方位角分量。这在光束的横截面上积分至有限值。当所述光束被线性偏振时，不存在对所述坡印亭矢量的方位角分量，并因此不存在自旋角动量。

因此，光束300内的每个光子302的动量具有方位角分量。动量的详细计算涉及光束内的所有电场和磁场，尤其是在光束的传播方向上的那些电场和磁场。对于所述光束内的点，所述方位角分量和动量的z分量之间的比率被发现是l/kr(其中l＝螺旋度或轨道角动量；k＝波数2π/λ；r＝半径矢量)。如果我们采用半径矢量r内的方位角分量的交叉乘积，则在光束300内的每个光子302的线性动量由给出，我们获得对于的光子602的轨道动量。还应注意，所述波矢量的方位角分量为l/r且与所述波长无关。

现在参考图6和图7，示出了平面波前和螺旋波前。通常，具有平面波前602的激光束以厄米-高斯模式为特征。这些模式具有矩形对称性，并由两个模指数m604和n606描述。在x方向上有m个节点，并且在y方向上有n个节点。同时，在x和y方向上的组合模式被标记为HG_mn608。与此相反，如图7所示，具有螺旋波前702的光束最好以由指数I 703、缠绕的螺旋的数量704、和p，径向节点的数量706描述的拉盖尔-高斯模式来表征。拉盖尔-高斯模式被标记为LG_mn710。对于l≠0，光束300上的相位奇点导致轴向强度为0。当具有螺旋波前的光束300也是圆形偏振时，角动量具有轨道分量和自旋分量，光束的总角动量为/光子。

利用透射的能量信号的轨道角动量状态，可以将物理信息嵌入由信号传输的电磁辐射内。麦克斯韦-海维赛特方程可以表示为：

其中，为倒三角形算子，E为电场强度，和B为磁通密度。使用这些方程，我们可以导出来自麦克斯韦原始方程的23个对称/守恒量。然而，仅有十个已知的守恒量，并且仅有几个是商业上使用的。在历史上，如果麦克斯韦方程保持其原始四元形式，则更容易看到对称/守恒量，但是当它们被海维赛特改为其当前的矢量形式时，更难以看到麦克斯韦方程中的这种固有对称性。

可以根据系统能量的守恒和系统线性动量的守恒来表示守恒量和电磁场。时间对称性，即系统能量的守恒可以使用根据以下方程的坡印亭定理来表示：

空间对称性，即表示电磁多普勒频移的系统线性动量的守恒可以由以下方程表示：

能量的系统中心的守恒由以下方程表示：

类似地，给出方位角多普勒频移的系统角动量的守恒由以下方程表示：

对于自由空间中的辐射光束，EM场的角动量J^em可分为两部分：

对于实际值表示的每个奇异傅里叶模式：

第一部分为EM自旋角动量S^em，其经典表现为波偏振。以及第二部分为EM轨道角动量L^em，其经典表现为波螺旋性。通常，EM线性动量P^em和EM角动量J^em＝L^em+S^em都一直向远场辐射。

通过使用坡印亭定理，可以根据光学速度方程确定信号的光涡旋：

其中，S是坡印亭矢量：

且U为能量密度：

分别具有包括电场和磁场的E和H，且ε和μ₀分别为介质的介电常数和渗透率。然后，光学涡旋V可由根据以下方程的光学速度的卷曲确定：

现在参考图8和图9，图中示出了在只有自旋矢量被改变的平面波情况(图8)和在自旋矢量和轨道矢量以导致坡印亭矢量围绕传播方向螺旋的方式被改变的情况(图9)下，信号和该信号的相关联的坡印亭矢量变化的方式。

在图8所示的平面波情况下，当只改变平面波的自旋矢量时，传输的信号可以采取三种配置中的一种。当自旋矢量在相同方向上时，如在804处总体示出的那样提供线性信号。应当注意，虽然804示出了仅在x方向上被改变以提供线性信号的自旋矢量，该自旋矢量还可以在y方向上被改变以提供线性信号，该线性信号看起来与在804处所示的线性信号类似，但是与在804处示出的信号呈垂直取向。在如804处示出的线性偏振中，信号的矢量在同一方向上且具有相同的幅度。

在如806处所示的圆形偏振中，信号矢量812彼此呈90度但具有相同的幅度。这使得信号如806处所示传播，并提供圆形偏振814，如图8所示。在椭圆偏振808内，信号矢量816也是彼此呈90度，但具有不同的幅度。这提供了用于信号传播408的椭圆偏振818。对于图8中所示的平面波，对于在其中示出的各种信号配置，所述坡印亭矢量被保持在恒定的方向上。

图9中的情况示出了何时向信号施加唯一的轨道角动量。当发生这种情况时，坡印亭矢量S910将围绕信号的一般传播方向912螺旋。所述坡印亭矢量910具有三个轴向分量S_p和S_z，其变化导致所述矢量围绕信号的传播方向912螺旋。包括所述坡印亭矢量910的各个矢量的变化值可以导致所述坡印亭矢量的螺旋被改变，以使得信号可以以相同的波长或频率传输，这将在本文更详细地描述。此外，可以测量由坡印亭矢量910指示的轨道角动量的值，以确定特定物质的存在以及与正由扫描机构处理的特定物质相关联的浓度。

图10A至图10C示出了具有不同螺旋度(即施加到其上的轨道角动量)的信号的差异。不同的螺旋度将指示光束正通过的样品内的不同的物质和物质的浓度。通过确定与信号相关联的特定的轨道角动量特征，可以确定特定的物质和该物质的浓度量。与信号1002、1004和1006相关联的每个螺旋坡印亭矢量提供了不同形状的信号。信号1002具有+1的轨道角动量，信号1004具有+3的轨道角动量，信号1006具有-4的轨道角动量。每个信号具有不同的轨道角动量和相关联的坡印亭矢量，使得信号可以指示与检测的轨道角动量相关联的特定物质和物质的浓度。这允许从信号中确定物质和各种类型物质的浓度，因为轨道角动量可以分别检测并且提供特定物质和特定物质的浓度的唯一指示，该特定物质影响通过样品物质传输的信号的轨道角动量。

图11A示出了用于各种本征模的坡印亭矢量的传播。每个环1120代表了表示不同轨道角动量的不同的本征模或扭转。每个不同的轨道角动量与特定物质和特定物质的特定浓度相关联。轨道角动量的检测提供了相关物质的存在和由设备检测的物质的浓度的指示。每个环1120表示不同物质和/或被监测的选定物质的浓度。每个本征模都具有坡印亭矢量1122，用于产生指示不同物质和物质浓度的环。

拓扑电荷可以被复用到线性或圆形偏振的频率。在线性偏振的情况下，拓扑电荷将被复用在垂直和水平偏振上。在圆形偏振的情况下，拓扑电荷将复用在左手和右手圆形偏振上。拓扑电荷是螺旋度指数“I”的另一个名字或是施加到信号的扭转或OAM的量。螺旋度指数可以是正的或是负的。

利用如图11B所示的螺旋相位板(SPPs)，使用具有特定折射率的适当物质和由新物质创建机械工厂或相位掩模、全息图的能力，可形成拓扑电荷l。螺旋相位板可以变换RF平面波(l＝0)为特定螺旋度的扭转波(即l＝+1)。

现在参考图12，图中示出了用于响应于由根据上述原理的装置检测到的轨道角动量而提供物质的存在检测和各种物质的浓度测量的装置的框图。发射器1202发射包括一系列平面波的波能量1204。发射器1202可以提供一系列平面波，例如前面关于图7描述的那些。轨道角动量生成电路1206生成一系列波，该系列波具有以已知方式施加到波1208的轨道角动量。轨道角动量生成电路1206可利用全息图或本文下面将更全面地描述的一些其它类型的轨道角动量生成过程。OAM生成电路1206可通过通过空间光调制器(SLM)、振幅掩模或相位掩模传输平面波而生成。轨道角动量扭转波1208被施加到测试中的样品物质1210上。样品物质1210包含物质，并且根据本文所述的过程，经由检测装置确定物质的存在和浓度。样品物质1210可以位于容器中或在其自然存在的位置，例如个人的身体。

来自样品物质1210的一系列输出波1212从样品输出，并具有由样品物质1210内部的研究中的物质和特定物质的浓度导致的施加到其上的特定轨道角动量。输出波1212被施加到匹配模块1214，匹配模块1214包括映射孔径，用于放大由在研究中的特定物质产生的特定轨道角动量。匹配模块1214会放大与由装置检测到的特定物质和物质浓度相关联的轨道角动量。所述经放大的OAM波1216被提供给检测器1218。所述检测器1218检测与所述样品内部的所述物质和物质的浓度相关的OAM波，并将该信息提供给用户界面1220。检测器1218可利用相机从通过样品的光束中检测不同的拓扑特征。用户界面1220解释信息，并向个人或记录设备提供相关的物质类型和浓度指示。

现在参考图13，其中更具体地示出了发射器1202。发射器1202可以发射多个类型的能量波1204至OAM生成模块1206。发射器1202可发射光波1300、电磁波1302、声波1304或任何其他类型的粒子波1306。发射波1204是如图4中所示的平面波，其没有施加到其上的轨道角动量，并且可以来自各种类型的发射设备并具有包括在其中的信息。在一个实施例中，发射设备可以包括激光器。平面波具有彼此平行的波前，并没有施加到其上的扭转或螺旋度，并且波的轨道角动量等于0。平面波内的坡印亭矢量与波的传播方向完全一致。

OAM生成模块1206对输入平面波1204进行处理，并赋予已知的轨道角动量到由发射器1202提供的平面波1204上。OAM生成模块1206由来自发射器1202的平面波生成扭转的或螺旋的电磁波、光波、声波或其他类型的粒子波。螺旋波1208不与波的传播方向对准，但是具有如图14中所示的围绕传播方向的队列。在一个实施例中，OAM生成模块1206可以包括如图14中所示的固定轨道角动量发生器1402。固定轨道角动量发生器1402从发射器1202接收平面波1204并产生具有施加到其上的固定轨道角动量的输出波1404。

固定轨道角动量发生器1402可以在一个实施例中包括全息图像，用于将固定轨道角动量施加到平面波1204，以产生OAM扭转波1404。可以产生各种类型的全息图象，以便对正施加到轨道角动量发生器1402的光信号产生所需的轨道角动量扭转。在图15A至图15D中示出了这些全息图像的各种示例。在一个实施例中，可利用全息图像来实现通过轨道角动量生成电路1206转换从发射器1202发射的平面波信号。

大多数商用激光器发出HG₀₀(厄米-高斯)模式1602(图16)，其具有由高斯函数描述的平面波前和横向强度。虽然已经使用了多种不同的方法来成功地将HG₀₀厄米-高斯模式1602变换为拉盖尔-高斯模式1604，最简单的理解是使用全息图。

通过以下方程给出描述拉盖尔-高斯光束的圆柱形对称解

其中，z_R是瑞利范围，w(z)是光束的半径，L_P是拉盖尔多项式，C是常数，并且束腰在z＝0处。

在其最简单的形式中，计算机生成的全息图是从计算出的干涉图案产生的，当所需光束以小角度与传统激光器的光束相交时，产生该干涉图案。将所计算的图案转移到高分辨率全息膜。当将显影的全息图放置在原始激光束中时，产生衍射图案。其第一级具有期望的振幅和相位分布。这是用于实现OAM生成模块1206的一种方式。用于在OAM生成模块中使用的全息图像的多个示例参考图15A至图15D示出。

在全息图设计中存在各种水平的复杂性。仅包括没有灰度的黑色和白色区域的全息图被称为二元全息图。在二元全息图内，两个干涉光束的相对强度不起作用，并且对于计算出的零与π之间的相位差或是对于π与2π之间的相位差整体将全息图的透射设为零。二元全息图的局限性在于，非常少的入射功率结束于第一阶衍射斑中，尽管这可以部分地通过闪耀(blaze)光栅来克服。当模式纯度特别重要时，也可能产生更复杂的全息图，其中所述图案的对比度作为半径的函数而变化，使得衍射光束具有所需的径向分布轮廓。

通过全息图像1502射出的平面波在通过全息图像1502之后将具有施加到其上的预定轨道角动量偏移。将OAM生成器1202固定以使用同一图像并将其施加到通过所述全息图像的光束上。由于全息图像1502不发生变化，相同的轨道角动量总是被施加到通过全息图象1502的光束上。图15A至图15D示出了可在轨道角动量发生器1202内利用的各种全息图像的多个实施例，可以认识到，可以利用任何类型的全息图像1502，以便在通过图像1502射出的光束中实现期望的轨道角动量。

在图17中示出的全息图像的另一示例中，示出了利用两个独立的全息图的全息图，所述两个独立的全息图被网格化在一起以产生数量丰富的轨道角动量(l)。图17的叠加的全息图具有彼此重叠的l＝1和l＝3的轨道角动量，以构成复合涡旋网格1702。所利用的全息图也可以以如下方式构建：将两个全息图网格化在一起以不仅仅在线(l＝+1,l＝0,l＝-1)上，还在能够更容易地识别多个变量的正方形上产生变化数量的轨道角动量(l)。因此，在图17的示例中，轨道角动量沿着上边缘从+4变化到+1到-2并在下边缘上从+2变化到-1到-4。类似地，轨道角动量沿左边缘从+4变化到+3到+2并在右边缘上从-2变化到-3到-4。穿过全息图的水平中心，轨道角动量具有从+3到0到-3的变化，并且沿着垂直轴线具有从+1到0到-1的变化。因此，取决于光束可以通过的网格的部分，可以实现变化的轨道角动量。

现在参考图18，除了固定的轨道角动量发生器之外，轨道角动量产生电路1206还可以包括可调谐轨道角动量发生器电路1802。可调谐轨道角动量发生器1802接收输入平面波1204，但是另外接收一个或多个调谐参数1804。调谐参数1804调谐可调谐OAM生成器1802以施加选定的轨道角动量，使得从OAM生成器1802输出的调谐的OAM波1806具有施加到其上的选定轨道角动量值。

这可以以任何数量的方式实现。在一个实施例中，如图22所示，可调谐轨道角动量发生器1802可以包括可调谐OAM生成器1802内的多个全息图图像2202。调谐参数1804能够选择全息图像2206中的一个，以便通过选择器电路2204提供所需的OAM波扭转输出信号1806。可替代地，可以利用如图16所描述的网格全息图象，并且光束在网格化图像的一部分上射出以提供期望的OAM输出。可调谐OAM生成器1802具有被控制以根据所提供的输入参数1804对输出轨道角动量波1806施加特定轨道角动量的优点。这使得能够监测各种不同物质的存在和浓度，或可替代地，对于待监测的相同物质的各种不同浓度。

现在参考图19，更具体地，实施了可调谐轨道角动量发生器1802的框图。发生器1802包括多个全息图像1902，用于向所提供的光信号提供各种类型的轨道角动量。响应于选择器电路1904(其响应于输入调谐参数1804)而选择这些全息图像1902。所选择的滤波器1906包括响应于选择器控制器1904而选择的全息图像，并接收输入平面波1204以提供调谐的轨道角动量波输出1206。以这种方式，具有期望的轨道角动量的信号可以从OAM生成电路1206输出。

现在参考图20，示出了OAM生成器1206的输出可以通过对信号施加不同的轨道角动量改变信号的方式。图20示出了螺旋相位前，其中坡印亭矢量不再平行于光束轴线，并因此具有施加到其上的轨道角动量。在所述光束内的任何固定半径中，所述坡印亭矢量遵循围绕所述轴的螺旋轨迹。标记为1的行，轨道角动量量子数，是输出信号内每个光子的光束轨道角动量。对于每个l，左列2002是光束的瞬时相位。中心柱2004包括角强度分布轮廓，并且右列2006示出当这样的光束与平面波干涉并产生螺旋强度图案时发生的情况。这是针对图23的各行内的-1，0，1，2和3的轨道角动量示出的。

现在参考图21，示出了其中OAM生成器1206可利用模式转换器2104和道威棱镜2110将从发射器1202输出的厄米-高斯光束转换为具有赋予其的轨道角动量的拉盖尔-高斯光束的可替代方式。厄米-高斯模式平面波2102被提供给π/2模式转换器2104。π/2模式转换器2104在拉盖尔-高斯模式2106中产生光束。拉盖尔-高斯模式光束2106被施加到π模式转换器2108或道威棱镜2110，其反转模式以创建反向拉盖尔-高斯模式信号2112。

现在参考图22，示出了在OAM生成器1206中的全息图产生扭转光束的方式。全息图2202可产生光束2204和光束2206，其具有螺旋波前和相关联的轨道角动量lh/光子。可以从期望光束形态2204，2206和平面波2208之间的干涉图案计算或生成适当的全息图2202。得到的全息图2202中的全息图案类似于衍射光栅，但在光束轴线上具有l-叉形位错。当全息图被平面波2208照射时，第一阶衍射光束2204和2206具有所需的螺旋波前，以提供所需的第一阶衍射光束显示2210。

现在参考图23，更具体地示出了样品1210接收从OAM生成器1206提供的输入OAM扭转波1208并提供输出OAM波1212，所述输出OAM波1212具有与其相关联的特定OAM特征，其取决于样品1210内的物质或特定的被监测物质的浓度。样品1210可以包括在研究中的任何样品，并且可以是固体形态、液体形态或气体形态。可使用本文所述系统检测的样品物质1210可包括各种不同物质。如前所述，该物质可以包括诸如血液、水、油或化学品的液体。可提供各种类型的碳键如C-H、C-O、C-P、C-S或C-N用于检测。该系统还可以检测碳原子之间的各种类型的键，例如单键(甲烷或异辛烷)、双键类(丁二烯和苯)或诸如乙炔等的三键碳类。

样品1210可包括可检测的物品，例如包括碳水化合物、脂类(cylcerol和脂肪酸)、核酸(C，H，N，P)(RNA和DNA)的有机化合物，或各种类型的蛋白质，例如氨基NH₂和羧基COOH的聚合物(polyour)或例如色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸的氨基酸(aminos)。还可以检测样品1210中的各种链，例如单体、同分异构体和聚合物。可以检测样品中的诸如ATP和ADP的酶。由身体的腺体产生或释放的物质可以存在于样品中并被检测。这些包括经由管/导管由外分泌腺释放的物品、内分泌腺直接释放到血样样品或激素中的物品。可以具有在样品1210内检测到的它们的分泌物的各种类型的腺体包括下丘脑、松果体和脑下垂体、甲状旁腺和甲状腺和胸腺、躯干的肾上腺和胰腺以及由男性或女性的卵巢或睾丸释放的激素。

样品1210还可用于检测个体的血液和尿中的各种类型的生化标记物，如生黑色素细胞和角质细胞。样品1210可包括身体的各个部分以检测其中的防御物质。例如，对于皮肤，样品1210可用于检测类胡萝卜素、维生素、酶、b-胡萝卜素和番茄红素。对于眼色素，可以检测黑色素/真黑素、二羟基吲哚或羧基。该系统还可以检测样品1210内的身体的生物合成路径内的各种类型的物质，包括血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素、和卟啉分子(例如原卟啉、联卟啉、尿卟啉和线状卟啉)。样品1210还可以包含待检测的各种细菌，如痤疮丙酸菌。还可以检测各种类型的牙斑细菌，如牙龈卟啉单胞菌、中间普氏菌和变黑普氏菌。样品1210还可用于检测血液样品1210内的胰岛素中的葡萄糖。样品1210还可以包括β淀粉样蛋白检测。然后，样品中的β淀粉样蛋白的检测可以用于确定早期发作的阿尔茨海默病。高水平的β淀粉样蛋白可以提供阿尔茨海默病早期阶段的指示。样品1210可包括期望被检测的任何物质，其为通过样品的信号提供唯一的OAM扭转。

根据物质分子的旋转，在样品1210内提供的光束内的轨道角动量可以从光传递到物质分子。当具有螺旋波前的圆偏振激光束在围绕光束轴线的光的圆环(angular ring)中捕获分子，可以观察轨道和自旋角动量的传递。上述捕获是在没有由环的强度梯度进行机械约束的情况下完成的光镊的一种形式。如图24中的2402处所示，传递给分子的轨道角动量使其围绕光束轴线进行轨道运动。自旋角动量使分子围绕其自身轴线自旋，如2404处所示。

来自样品1210的输出OAM波1212将具有与其相关联的、与由输入OAM波1208提供的轨道角动量不同的轨道角动量。输出OAM波1212的差异将取决于样品1210内包含的物质和样品1210内的这些物质的浓度。不同浓度的不同物质将具有与其相关联的唯一轨道角动量。因此，通过分析与输出OAM波1212相关联的特定轨道角动量特征，可以对存在于样品1210内的物质进行确定，并且还可以确定样品内的这些物质的浓度。

现在参考图25，匹配模块1214从样品1210接收输出轨道角动量波1212，样品1210具有与其相关联的、基于赋予通过样品1210的波的轨道角动量的特定特征。所述匹配模块1214放大感兴趣的特定轨道角动量，以便提供具有放大的所需感兴趣的轨道角动量1216的放大波。匹配模块1214可包括匹配孔，其放大与研究中的特定物质或特征相关联的检测轨道角动量。在一个实施例中，匹配模块1214可以包括诸如关于图15A至图15D所描述的全息滤波器，以便放大感兴趣的期望的轨道角动量波。匹配模块1214基于试图由系统检测的感兴趣的特定物质来建立。匹配模块1214可以包括使用如图15A至图15D所示的全息图的固定模块或以类似于关于OAM生成模块1206讨论的方式的可调谐模块。在这种情况下，可以通过匹配模块对多个不同的轨道角速度进行放大，以便检测不同的物质或样品1210内的物质的不同浓度。用于匹配模块1214的部件的其它示例包括量子点、纳米物质或超物质的使用，以放大从样品1210接收的波形内的任何期望的轨道角动量值。

现在参考图26，匹配模块1214而不是使用全息图像来放大期望的轨道角动量信号可以使用非线性晶体以产生较高的轨道角动量光束。使用非线性晶体2602，可将第一谐波轨道角动量光束2604施加到非线性晶体2602。非线性晶体2602将产生二阶谐波信号2606。

现在参考图27，更具体地示出了检测器1218，来自匹配电路1214的放大的轨道角动量波1216传递给检测器1218，以便检测器1218可以提取期望的OAM测量值2602。检测器1218接收经放大的OAM波1216并检测和测量由于样品1210内的研究中的特定物质的存在和特定物质的浓度引起的发射波的轨道角动量中的可观测的变化。检测器1218能够从施加到样品1210的输入OAM波1208的状态测量发射的放大的OAM波1216内的可观测的变化。提取的OAM测量值2702被施加到用户界面1220。检测器618包括轨道角动量检测器2104和处理器2106，轨道角动量检测器2104用于确定轨道角动量信号616内的轨道角动量的轨道角动量状态的分布轮廓，处理器2106用于响应于所述轨道角动量的轨道角动量状态的所检测的分布轮廓，确定所述样品内的物质。检测器1218可检测轨道角动量中的差异的方式在图28至图30中更具体地示出。

图28示出了由于光束通过样品2802而引起的自旋角偏振和轨道角偏振之间的影响的差别。在样品2802a中，示出了响应于通过样品2802a的光束而改变自旋角偏振的方式。具有通过样品2802a的特定自旋角动量2804的波的偏振将从位置2804旋转到新位置2806。旋转发生在同一偏振平面内。以类似的方式，如关于样品2802b所示，如图所示，在通过样品2802b之前，图像通常出现在2808处。在使图像通过样品2802b时，图像将从在2810处示出的位置旋转到在2812处示出的旋转位置。旋转量取决于正检测的物质的存在以及在样品2802内检测到的物质的浓度水平。因此，参考如图28的样品2802可以看出，自旋角偏振和轨道角动量都将基于样品2802中的物质的存在和浓度而变化。通过测量由轨道角动量中的变化引起的图像的旋转量，可以确定特定物质的存在和浓度。

上述整个过程可以在图29中更具体地示出。光源2902通过扩展光学元件2904射出光束。扩展的光束通过将轨道角动量赋予该光束的metalab生成的全息图2906来施加。来自全息图2906的扭转光束通过具有特定长度L的样品2908来照射。如前面提到的，样品2908可以位于容器中或处于其自然发生的状态。这使得在样品2908的输出侧上产生扭转光束，以产生多个可检测波，该多个可检测波具有与其相关联的各种轨道角动量2910。与施加到样品2908的光束相关联的图像2912将根据样品2908内的物质的存在和浓度而旋转角度图像2912的旋转对于每个值轨道角动量–l或+l是不同的。可根据以下方程来描述图像的旋转变化：

其中，l是轨道角动量数，L为样品的路径长度，以及C为待测物质的浓度。

因此，由于样品的长度L是已知的，并且轨道角动量可以使用本文所述的过程来确定，这两条信息可能能够计算所提供的样品内的物质的浓度。

上述方程可以在用户界面内使用，在图30中更具体地示出。用户界面1220使用内部算法3002处理OAM测量值3002，该内部算法3002提供可在某种类型的用户显示器中显示的物质和/或浓度信息3004的生成。在一个实施例中，该算法利用上述方程，以便基于样品的长度和检测的轨道角动量中的变化来确定物质和/或浓度。用于计算物质和/或浓度的过程可以在实验室设置中进行，其中信息被无线地传输到实验室或者用户界面可以与连接到仪表或手机的可穿戴设备相关联，该手机上运行有应用软件，经由局域网或广域网连接到个人或公共云上。设备的用户界面3020可以具有利用蓝牙、紫蜂(ZigBee)或其它无线协议的有线或无线连接。

现在参考图31，图中示出了已经以上文所描述的方式收集的在用户界面1220中累积的各种数据可以被存储并用于较高级别的分析的方式。用于收集如上文所描述的数据的各种设备3102可经由私有网络云3104进行通信或与公共云3106通信。当与私有云3104通信时，设备3102仅存储与特定用户设备相关联的信息，上述特定用户设备用于分析与上述用户设备相关联的用户。因此，单独用户可以被监测并存储关于他们现在的葡萄糖浓度的信息，以便监测和维持他们的糖尿病。

可替代地，当从公共云3106内的多个设备3102编译信息时，该信息可以直接从单独设备3102或通过相关联的网络设备3102的私有云3104提供给公共云3106。利用公共云3106内的该信息，可以在与公共云3106相关联的服务器3108内建立大数据库，以实现对与从每个单独设备3102处理的信息相关联的各种健康相关问题的大规模分析。该信息可用于分析公共健康问题。

因此，除了包括用于确定物质和/或浓度信息3004的算法3002之外，用户界面1220将包括无线接口3006使得所收集的信息能够在如关于图31所描述的公共或私有云上进行无线传输。可替代地，所述用户界面可以包括存储数据库3008，其使得所收集的信息能够被本地存储而不是被无线地发送到远程位置。

现在参考图32，示出了特定装置的框图的特定示例，上述特定装置用于使用通过葡萄糖样品射出的光束的光子的轨道角动量测量葡萄糖的存在和浓度。虽然本示例针对葡萄糖的检测，本领域技术人员将认识到，该实施例将适用于任何物质的存在和浓度的检测。上述过程使用诸如关于图25所描述的非线性晶体来产生具有螺旋光束的二阶谐波。发射模块2402生成被提供给OAM生成模块3204的平面电磁波。OAM生成模块3204使用全息图生成具有施加到其上的轨道角动量的光波以产生具有电磁涡旋的波。将OAM扭转波施加到在研究中的样品3206，以检测样品内的葡萄糖和葡萄糖浓度。旋转的特征以前面关于图28至图29描述的方式离开样品3206，并被提供给匹配模块3208。匹配模块3208将放大轨道角动量，使得可从葡萄糖的轨道动量的特征计算观察到的浓度。这些放大的信号被提供给检测模块3210，其测量光束w(z)的半径或测量经由所述光束提供给所述样品的图像的旋转。该检测到的信息被提供给用户界面，该用户界面包括传感器接口有线或无线蓝牙或紫蜂连接，以使得能够将物质提供给读数计或用户电话，用于显示有关样品的浓度信息。以这种方式，如本文所述的各种类型的物质的浓度可利用在研究中的样品的轨道角动量特征和如上所述确定的样品内的这些物质或它们的浓度的检测来确定。

由于拉盖尔多项式的正交性，表现出轨道角动量(OAM)的拉盖尔高斯光束已被确定为用于在使用例如多路复用-多路解复用光学元件设计的通信应用中的空分复用(SDM)的基础。OAM光束在量子信息中也受到关注。OAM还能够探测手性和非手性分子的溶液。

图33示出了用于传输和检测信息的另一光学配置。扭转向列LCOS SLM 3302实现了具有9μm间距的1024×768阵列和覆盖可见波长范围(430-650nm)的8位分辨率，并通过VGA连接容易地进行接口连接。可编程的SLM 3302允许生成各种工程化光束。硅上扭转向列(TN)液晶(LCOS)SLM特别适用于实现调制输入平面波102(图1)的相位前或高斯光束的全息图。SLM是利用通用软件包(例如Matlab或数学软件)计算机可寻址的，以限定使用例如全息图在光束输入上加标记(imprint)的任意的二维相位偏移。

准直的输入光束被相位延迟叉形光栅适当编码的显示器、或全息图反射。叉形光栅的生成方程可以被写为傅里叶系列：

其中，r和是坐标，l是涡旋阶次和D是远离叉形杆(forked pole)的直线光栅的周期。相位光栅的傅里叶分量的重量t_m可以被写为整数阶次的贝塞尔方程：.

t_m＝(-i)^mJ_m(kβ)exp(ikα)

其中，kα和kβ偏斜并分别调制叉形光栅的相位。通常只需要少量的这一系列的术语来生成OAM光束。例如，利用转换模式已经获得成功：

现在返回到图33，示出了用于检测通过测试中的样品3303的信号的唯一特征的光学配置。样品3303可以在容器中或处于其自然发生的状态。在高水平时，该仪器包括马赫曾德尔干涉仪。干涉仪的一个臂传播参考光束3310。所述参考光束3310由激光器3304产生，所述激光器3304生成包括通过望远镜3306透射的多个平面波的光束。来自望远镜3306的平面波光束通过第一分束器3308。分束器3308生成从反射镜3511反射到干扰电路3312的参考光束3310。参考光束3310可以是平面波或，通过添加透镜，可以实现球形波前。该臂被阻止仅用于振幅的测量。

在第二臂中，来自分束器3308的分束平面光束在光束组合器3314处与由空间光调制器3302提供的光束组合。空间光调制器3302提供包括叉形全息图3316的光束。光束组合器3314将来自SLM 3302的叉形全息图光束3318和来自激光器3304的平面光束3320组合，以生成已知特征的OAM或其它正交函数扭转光束。该光束通过一系列反射镜3322反射，并在使所述具有已知轨道角动量的光束通过测试中的样品3303之前聚焦在针孔孔径3324上。

样品扭转光束3326在信号组合器3312处与参考光束3310干涉。然后，该干涉图像可以由相机或记录设备3328记录。这提供了唯一的OAM特征3330，其可被分析以便检测测试中的样品3303内的物质。如图所示，唯一的OAM特征3330与所传输的光束的特征3332不同。下面将更全面地描述特征被改变的方式。

在第二臂中，LCOS SLM3302用于将准直的平面波输入光束3320变换为OAM编码光束。SLM 3302由扩展的膝上型显示器上的Matlab程序驱动，以提供任何l或ρ的叉形全息图的显示。在SLM 3302之后，光束通过三个反射镜3322反射，以提供足够的距离用于衍射的OAM模式的分离，使得针孔虹膜孔径3324可以选择期望的模式以通过测试中的样品3303。

使用图33的设置，可以用OAM特征检测几种感兴趣的物质。这些物质的示例包括在蒸汽蒸馏水中的丙酮、异丙醇、蔗糖、β淀粉样蛋白、和葡萄糖。光谱级钠钙玻璃比色皿(1cm×2.5cm×3cm)或更大的定制的在盖中具有BK7覆盖玻璃的圆形比色皿可用于容纳测试中的样品3303。

测试中的样品3303被安装在平移台上，该平移台被布置成允许通过样品的运动或光束投影装置的运动而在光束路径之内和之外进行快速且可重复的定位。另外，对来自样品服务的后反射进行仔细监测，并通过虹状物阻挡，从而不会发生乱真的二次交互。通过样品的光功率低(小于25μW)以避免所述溶液中的任何折射率相关的热梯度。

在测试样品之前和之后插入波片、可变延迟器和偏振器没有显示出任何显著的结果。虽然已知葡萄糖在这些波长处具有偏振测定响应，但是浓度路径长度的乘积太小而在偏振状态下产生显著的偏移。这表明，OAM和葡萄糖是更显著的响应，随后进行分子偏振测定。

使用高分辨率DSLR相机3328记录仪器的输出处的光束的图像3330，高分辨率DSLR相机3328被垂直于光束的传播方向稳固地安装且远程触发，以防止仪器中的振动或偏移。椭圆度的测量是利用Photoshop和Matlab或类似类型的图像测量和处理软件或应用来执行的。

利用该仪器，由测试中的样品3303在输入光束上赋予的OAM状态的变化在强度和相位两者上可以被量化。已经使用主要的葡萄糖水溶液进行了一系列实验。将15％的储备溶液稀释至各种所需浓度。由于糖的不同同分异构体在达到平衡前相互作用，对于新的或变更的溶液需要稳定时间。使溶液平衡过夜(约15小时)，在被封盖以防止蒸发的比色皿中的时间长于推荐的2小时。

如前面关于图1所述，通过样品3303使通过样品的光束被赋予唯一的OAM特征。该唯一的OAM特征提供了样品内物质的存在和样品内物质浓度的鉴定。该唯一的OAM特征包括来自输入到样品3303的OAM信号特征的多个差异。在图34至图36中示出了唯一的OAM特征的特点。图34示出了OAM强度图的椭圆率在通过所述样品3303之后变化的方式。首先，如在3402处所示，在通过所述样品3303之前，来自平面波OAM光束的强度图基本呈圆形。在通过所述样品3303之后，所述强度图具有更加椭圆的形状，如在3404处总体示出。该椭圆形状是根据正被检测的物质和正被检测的物质的浓度而不同的独特特性。通过检测强度图的椭圆率，可以确定样品内特定物质的存在。

图35示出了通过通过样品3303可以被改变的OAM特征的另一特征。在这种情况下，强度图的重心已被偏移。位置3502示出了在通过样品3303之前强度图的重心的初始位置。在通过样品3303之后，重心移动到位置3504，这是从在通过样品之前的原始位置的显著偏移。该偏移受到不同物质的唯一的影响。因此，重心的偏移也可以用作OAM不同的特征特征，其具有指示特定物质的存在和物质的浓度的重心偏移。基于对强度图的重心偏移的分析，可以确定物质的存在和/或物质的浓度。

在图36中示出了最终的不同的OAM特征特征。在这种情况下，强度图椭圆形的长轴3602从第一位置3602偏移角度θ3606到第二位置3604。基于所检测的物质，所述强度图椭圆形的长轴从位置3602旋转到位置3604。角度θ与特定物质和正被检测的物质的浓度唯一地相关。因此，基于强度图中的确定角度θ可以检测物质。

数学模型可以用来表示由在轴线的旋转中重心的偏心、偏移或平移的每一个变化提供的唯一的OAM特征。偏心的变化可以表示为：

其中，a，b，c是椭圆的尺寸。

重心的变化可以根据以下矩阵通过向量v的空间中的偏移或平移来表示：

轴线的旋转可以由一系列表示在三个不同方向上的旋转的矩阵表示：

旋转α，旋转β，旋转γ。

在图37A和图37B所示的示例中，示出了OAM光束施加到仅由水组成的样品(图37A)以及施加到由包含15％葡萄糖浓度的水组成的样品(图37B)。在543nm处的l＝7的OAM光束通过仅有水的3cm比色皿传播，以提供图37A中所示的强度图。当l＝7的OAM光束通过15％的葡萄糖水溶液时，提供图37B中所示的强度图。OAM特征本身表现为在图37A的强度图中所示的普通圆形光束振幅上的感应椭圆率。在诸如图38A和38B中所示的相位图中也可以观察到不同的特征效果。图38A和38B示出了在通过包含水的3cm比色皿(图38A)和包含15％葡萄糖的水溶液的3cm比色皿(图38B)传播的在633nm处的l＝2的OAM光束的干涉图。在此特定的干扰中，参考光束具有相同的球面波前。这是在相位测量中观察到基本上螺旋图案的原因。请特别地注意，在通过葡萄糖溶液传播的样品的相位前的2个螺旋之一中的扭转偏移。螺旋图案中的偏移是本实验中的相互作用的特征。

未受到干扰的OAM模式通过几米自由空间传播。葡萄糖样品似乎在OAM光束上施加相位扰动，从而使OAM模式在传播方向上被拓扑地影响。该效应允许更灵敏的度量。图39示出OAM光束的振幅，图40示出OAM光束的相位。所述光束为OAM l＝光束，并且当通过5％葡萄糖溶液的3cm比色皿和超过比色皿的平面四米时，所述光束被扰动。在振幅和相位测量中，光束的椭圆率更加显著。

OAM特征相对于葡萄糖浓度是非线性的，并且在一些条件下，看起来浓度有些周期性。用3cm比色皿在图41中绘制出作为葡萄糖浓度的函数的椭圆率，对于5％-9％的水中葡萄糖浓度，OAM模式l＝5，6，7。尽管初步数据是有噪声的，但是该趋势在几个OAM模式中持续存在。

对于中心在大约750nm的葡萄糖具有宽的吸收带，如本领域技术人员所理解的，具有约250nm的FWHM(半高宽)。假定葡萄糖的543nm吸光度小于633nm吸光度的4倍，令人感兴趣的是，所述形式波长(formal wavelength)提供更强的OAM响应。这表明了所述相互作用基于所述易感性的实部χ′，而不是其虚部χ″。我们注意到，在葡萄糖的单独偏振测量表征中，使用样品池长达20cm，在543nm处测量的比在633nm处测量的比旋度大50％。然而，在OAM工作中，我们发现效果不能随偏振而明显变化，我们也没有观察到通过3cm样品的光束的偏振状态的变化。这与先前对具有手性分子的OAM的偏振研究保持一致。

作为对OAM光束的涡旋对效果而言是否重要的检查，并且环形物用于通过葡萄糖样品对简易的光环进行投影。将环形图案打印在传统的塑料透明片上，并用放大的和准直的543nm激光束照射。如图42A至图42C所示，通过水的比色皿(图42B)或葡萄糖溶液的比色皿(图42C)，没有观察到扭转或特征。改变环直径不会改变这些无结果，即使对于大于典型的OAM光束的直径。当环直径大于比色皿时，观察到明显的限幅。该测试中的光束的功率水平在数量级上远高于OAM实验中的光束的功率水平。因此，任何热效应都将被加重。

由于在实验中使用葡萄糖的水溶液，OAM在水中的传播是相关的。蒸汽蒸馏水、用于稀释的溶剂被放置在各种连接和横截面的清洁新池中，并测量各种OAM光束通过该介质的传播。在通过干池、路径长度为0.5cm的样品和8cm的水的样品传播的OAM模式之间没有观察到可辨别的差异。

在实验中观察到另一空结果，其中通过可变延迟器的液晶传播OAM光束。在图43中，参考4302，4304和4306，示出了在用于0.1V和6V之间的不同驱动电压的可变波片的输出端处l＝7的OAM模式。

已经注意到，由照射正交函数处理的光束通过样品产生的强度图像的偏心率可能由于多种不同的因素而变化。图44示出了一个示例，其中由激光器4402产生的光束由SLM4404提供的全息图改变以生成OAM扭转光束4406。还可以使用厄米高斯函数、拉盖尔高斯函数或任何其它类型的正交函数来处理除了被OAM函数改变之外的OAM扭转光束。所述OAM扭转光束通过透镜和反射镜的系统4408被聚焦，以引导所述光束通过模式分类器4410。当所述光束在模式分类器4412处再生时，所述光束被分离成其不同的模式，并且所述强度图像可以由相机4414登记。

来自激光器4402的光束具有大约0.15的固有偏心率。如图45中所示，示出了对于l＝5，4，3，2，1，由列4502中的SLM所产生的各种OAM模式。如可以看到的，在SLM所产生的模式的偏心率，以及由第二模式分类器4412再生的模式的偏心率之间存在差异。

利用Photoshop和Matlab对偏心进行测量，以识别特定的特征。现在参考图46，示出了具有沿其长轴的半径“a”、沿短轴的半径“b”和椭圆形的焦点4604的距离“c”的椭圆4602的例子。椭圆的偏心率由方程偏心率＝c/a表示。偏心率从0到1变化，0表示圆并且1表示线。根据以下方程计算偏心方程：

其中，x_i是椭圆中的像素的x位置；y_i是椭圆中的像素的y位置；N为椭圆中的像素的数量。

已经发现，当在比色皿中没有样品时，偏心率大于0。多个因素有助于非零偏心。已经发现OAM扭转信号基于可能影响折射率的一些不同因素来提供不同的偏心率。这些因素包括诸如由于重力而在比色皿内的物质的样品分布、相机与空间光调制器的距离以及相机与空间光调制器的相机角度等事项。影响偏心率的其他因素是比色皿定位，样品对折射率的变化，比色皿形状和光束入射和出射比色皿的角度。

还已经确定了几个图像处理因素不会引起在误差范围之外的变化。基于软件处理误差的变化，不是OAM的圆形掩模，样品孵化时间或样品与玻璃或塑料(包括样品容器)的相互作用可以提供偏心变化，但上述变化不是由于比色皿取向、相机对准等导致的光学损伤。这些因素确实产生了偏心的一些变化，但它们在误差的容限内，而偏心变化的大部分基于被检测分子的特征。

现在参考图47，示出了用于分析由相机4414拍摄的强度图像的流程图。在步骤4702，施加到强度图像的阈值双精度幅度使得所述环能够被清楚地看到，而不需要在所述环外部的额外像素。下一步，在步骤4701，沿着列和行对整个图像进行扫描。在步骤4706确定两个最大凸起的峰和它们的位置。对于所发现的所有峰位置，在步骤4008处拟合椭圆形。最后，在步骤4710，确定椭圆形的长轴和短轴，椭圆形的焦点、几何中心、椭圆形的偏心率和方位。图48示出了椭圆拟合算法流程图。在步骤4802输入X和Y像素位置，用于所有被发现的峰。在步骤4804处提供用于圆锥方程参数的初始猜测值。圆锥方程参数包括参数A，B，C，D和E，用于方程Ax²+By²+Cx+Dy+E＝0。共轭梯度算法在步骤4806处被用来找出提供最佳拟合的圆锥方程参数。在步骤4808确定椭圆形的方位并使其移动以确定长轴和短轴。根据方程确定步骤4808的确定。在步骤4810返回椭圆形方位以确定椭圆形的中心点。最后，在步骤4812，如果锥形方程表示椭圆形则做出确定。对于椭圆形，参数A和B将存在并且具有相同的符号，但不相同。基于这一分析，已经确定，高达1mm的横向偏移可引起由于高达0.2的限幅而导致的测量的偏心率的显著变化。

分数OAM信号

使用OAM扭转光束的分子光谱可利用分数OAM状态作为分子特征连同其它强度特征(即，偏心率，质量中心的偏移和椭圆形强度的旋转)以及相位特征(即，散射光束的相位中的变化)以及公共分布谱的特定形成。利用圆偏振光子的电子光学取向的方法主要用于研究固态物质中的自旋角动量。该方法依靠自旋轨道耦合来从质子的自旋向电子的自旋传递角动量，并且已经结合到泵浦-探测克尔和法拉第旋转实验中，以研究光学激发消耗的动力学。通过实现自旋解扰、传输和交互的研究，该策略在半导体自旋学的发展中起到作用。

所提出的光谱技术聚焦于局部轨道角动量(OAM)和固体。具体地，人们可以区分与包络波函数相关联的非定域OAM，所述包络波函数在空间范围内可以是宏观的，以及与原子位相关联的本地OAM，其通常结合到自旋和相关联的电子状态的影响中。前一种类型的角动量是轨道舰队相干系统，例如，量子霍尔层、超导体和拓扑绝缘体的基本兴趣。研究这些和其它系统中的非平衡非定域OAM的技术创建了改善手性电子状态的散射和量子相干性的理解的机会，对于物质发现具有潜在的意义。

光与β淀粉样蛋白中的葡萄糖的相互作用以及对这些的OAM的光谱应用。另外，在椭圆形光纤中的声模和光子模之间的OAM传输，生成携带OAM的拉曼边带，使用宜人的莫妮卡透镜的OAM，研究利用波混合的激子中的光学相干OAM，应用线性偏振光以在图案化的薄金属膜中生成类似于OAM光的二维的宜人的Monica类似物，以及OAM光产生自旋偏振表决的可能性，直到用于高效半导体的电子设备，也可以在这些技术中找到应用。现在参考图49，一种用于使用嵌套的分数OAM状态，以缓解与整数OAM状态相关联的问题、并出于与上文所描述的目的类似的目的使得可以应用分数OAM的稳定状态的方式。在这种情况下，将输入信号4902提供给分数OAM生成电路4904。分数OAM生成电路4904生成具有分数正交状态的输出信号4906，所述分数正交状态随后可以如本文所描述的被进一步应用或检测。

光束的轨道角动量是其方位角相位结构的结果。光束具有相位因数其中m是整数且是方位角，并且携带沿光束轴的每光子的轨道角动量(OAM)。这些光束可以通过光学设备在实验室中产生，例如螺旋相位板或全息图，其操纵光束的相位。在这种装置产生具有整数值m的光束的情况下，所得到的相位结构具有相等相位的|m|缠绕螺旋的形式。对于整数值m，由光学设备产生的相位阶跃的选定高度与所得到的光束中的OAM的平均值相等。

近来，已经使用具有分数阶跃高度以及空间全息图的螺旋相位阶跃来产生具有分数OAM状态的光束。在这些实施方式中，产生光学设备施加的相位变化，其中M不限于整数值。这样的光束的相位结构示出了更复杂的图案。在通过由光学设备加标记的相位不连续性的方向上、在暗线中产生具有交替电荷的一系列光学涡旋。为了获得这些光束的轨道角动量的平均值，必须对涡旋图案求平均。该平均值与仅为整数和半整数值的相位阶跃重合。在光学和量子理论之间肯定存在更多的联系，以将具有分数OAM的光束表示为量子状态光束。

具有分数OAM的光模的理论描述是基于生成光学设备的。对于整数OAM值，可以存在一种理论描述，该理论描述提供了将角度本身作为量子机械厄米算符进行处理的方法。该描述可以为安全量子通信系统提供下面的理论，并表现了角度和角动量的不确定性关系的形式。理论可以被广泛用于分数值M，从而创建分数OAM的量子机械描述。特别感兴趣的这种严谨的公式是使用半整数螺旋相位板来研究高维缠结。分数OAM状态不仅由相位阶跃的高度表征，还由相位位错α的方位表征。对于半个奇整数值M，M mod 1＝1/2，具有相同M但在α具有π差异的状态是正交的。在最近的整数OAM在光介质中在由自旋转换为轨道角动量的量子密钥分布中的应用中，严谨的公式对于分数OAM对量子通信的可能应用是重要的。

在传播方向Lz上的OAM分量和方位旋转角形成一对共轭变量(如时频或空间动量)。不像线性位置和动量(它们都定义在未结合的和连续的状态空间上)，OAM和旋转角的状态空间在本质上是不同的。OAM本征态形成离散的一组状态，其中m取所有的整数值。角度算子的本征态被限制为2π弧度间隔，因为其在物理上不可能区分差异小于2π弧度的旋转角度。角度算子的性质被严格地从2L+1维度的任意大的但有限的状态空间导出。该空间被角动量状态|m>跨越，其中m范围为-L，-L+1，..，L。相应地，2π弧度间隔[θ0，θ0+2π)被2L+1个正交角状态|θn>跨越，其中θn＝θ₀+2πn/(2L+1)。这里，θ₀确定间隔的开始点，并具有其特定的角度算子仅在该状态空间中计算出物理结果之后，L允许趋于无穷大，其在2π弧度间隔内恢复所述OAM和角度状态的稠密集的无限但可计算的数量的基础状态的结果。

具有分数OAM的量子态表示为|M>，其中M＝m+μ并且m是整数部分且μ∈[0,1)是分数部分。状态|M>根据下式分解为角度状态：

重要的是要注意α是由0≤α<2π限定的，因此不连续的方位总是被理解为从θ₀测量的。在这种结构下，分数状态|M>可以被写为：

在基于整数的OAM生成应用中，可以使用螺旋相位板生成光束。然而，使用具有非整数相位阶跃的螺旋相位板产生的光束在传播时是不稳定的。然而，人们可以生成携带分数轨道角动量光束的光，其不具有螺旋相位板的相位阶跃而是通过拉盖尔-高斯模式合成。这可以通过使用空间光调制器5002如图50中所示来实现。输入信号5004被提供给空间光调制器5002，并用于生成分数OAM光束5006。空间光调制器5002合成拉盖尔高斯模式，而不是使用螺旋相位板的相位阶跃。通过限制叠加中的古伊相位的数量，可以从SLM 5002产生光束，其在其传播方面具有良好的特征。来自SLM的这些分数OAM光束的结构稳定性使得它们对于使用分数OAM状态的通信是理想的。另外，如下面将描述的，该光束对于各种有机物质的浓度测量是有用的。

利用空间光调制器5002，可以产生具有分数OAM的光束，作为具有不同m值的光模式的通用叠加。如图51所示，各种拉盖尔-高斯光束模式5102可以具有由空间光调制器5002施加到其上的叠加过程5104，以便生成分数光束输出5106。利用光学和量子理论之间的对应关系，OAM可以表示为量子状态。如图52中所示，该量子状态5202可以被分解为整数OAM状态5204的基础。该分解仅确定OAM指数m，该OAM指数m在LG光束的叠加中留下该指数用于未指定的同心环的数量。因此，人们可以利用这种灵活性来找出分数OAM状态的表示，以具有最小数量的古伊相位的叠加的LG光束来表示，以增加传播稳定性。利用空间光调制器5002产生这些光束并研究它们的传播和涡旋结构。以这种方式构造的光束具有优异的非整数OAM状态的实现，并且对从螺旋相位板的分数面台阶出现的光和传播更稳定。

现在参考图53，示出了可编程SLM以提供分数OAM光束的方式。不是使用多个光学元件来单独生成每一个拉盖尔高斯模式，单个SLM 5302可被编程为设置用于产生叠加的相位结构5306和强度结构5308的全息图5304。在全息图5304中还包括闪耀光栅5310，以成角度地分离第一分数阶次。用于全息图5304和直线坐标Ф(x,y)_holo的得到的相位分布的公式由下式给出：

Φ(x，y)_holo＝[φ(x，y)_beam+Φ(x，Λ)_gratingmod 2π-π]sinc²[(1-I(x，y)_beam)π]+π

在这个方程中，Ф(x,y)光束是z＝0的光束腰处重叠的相位分布轮廓，且Ф(x,Λ)光栅是取决于光栅Λ的周期的闪耀光栅的相位分布轮廓。将两个相位分布相加到模2π，在减去π后，将其乘以强度掩模。在低强度的区域中，强度掩模减小了闪耀光栅5310的效果，其进而导致所述第一衍射阶次中的强度减小。相位深度与期望强度之间的映射不是线性的，而是由三角正弦函数给出。

现在参考图54和图55，图中示出了生成用于产生非整数OAM光束的全息图所需的步骤。最初，在步骤5502，将表示闪耀光栅5402的载波相位加到叠加模2π的相位5404中。在步骤5504，用强度掩模5408乘以该组合相位5406，该强度掩模5408考虑相位深度和衍射强度3010之间的正确映射。在步骤5506，得到的全息图5412是包含所需的非整数OAM光束的所需相位分布轮廓和强度分布轮廓的全息图。

现在参考图56，示出了对于10个模式的叠加且M＝6.5的传播的强度和相位分布轮廓。强度和相位分布轮廓5602，5604和5606示出了z＝0，z＝2zR和z＝4zR的三种不同传播距离的一系列数值曲线，显示从腰平面向远场传播的相位和强度的变化。在z的每个值的±3w(z)的范围内绘制各种横截面。分布轮廓5608，5610和5612示出了相应的实验分布轮廓。

分数OAM光束的使用可以以多种方式使用。在一个实施例中，如图57所示，分数OAM光束可以从分数OAM光束发生器5702生成。这些分数OAM光束然后以类似于上面讨论的方式通过样品5704来示出。然后，OAM光谱检测电路5706可用于检测由通过样品5704射出的OAM光束所引起的某些OAM分数状态分布轮廓。特定的OAM分数状态将具有由样品5704引起的特定的分数OAM状态特征。该过程将以与上面描述的相同方式工作。

图58示出了可用于识别样品中的特定物质的OAM状态分布轮廓的一个示例。在这种情况下，在L＝3处示出了最高数目的OAM状态。还示出了在L＝1.5；L＝2.75；L＝3.5和L＝4处的另外的状态等级。该特定OAM状态分布轮廓将与特定物质唯一相关并当检测到分布轮廓时可用于识别样品内的物质。拉盖尔高斯光束与葡萄糖和β淀粉样蛋白的相互作用是OAM对样品类型的初始光谱应用。

在光纤中的声模和光子模之间的OAM传输，生成携带OAM的拉曼边带，利用等离激元透镜的OAM，研究利用四波混合的激子中的光学相干OAM，应用线性偏振光以在图案化的薄金属膜中生成类似于OAM光的二维等离激元类似物，以及OAM光产生用于高效半导体的自旋偏振光电子，属于其他潜在的光谱应用。

还可以使用其他生成和检测OAM状态分布轮廓的方法。例如，可以使用泵浦-探测磁轨道方法。在该实施例中，拉盖尔高斯光学泵浦脉冲给物质的电子态施加轨道角动量，并且以毫微微秒的时间分辨率研究随后的动力学。该激励使用涡旋模式，其在由斑点尺寸确定的宏观区域上分布角动量，并且光探头研究样品反射的涡旋模式的手性不平衡。将会有明显不同于布居(population)和自旋弛豫但具有较大寿命的在时间尺度上发展的瞬态。

多参数光谱

通过使用多个不同类型的光谱识别物品以提供更明确的分析，可以进一步细化OAM光谱学的进一步应用。现在参考图59，一般性地示出了多参数光谱系统5900。可以单独跟踪和分析多个不同的光谱参数5902。然后使用多参数光谱分析处理器或系统5904一起分析该组参数，以确定和识别具有输出5906的样品。不同的光谱技术接收由光源5908产生的光束，例如激光，其通过样品5910，所述样品5910中的物质或物质的浓度被检测。虽然图59的光源示出了单个激光和光束，多个光源可以提供多个光束或单个光源可以用于提供多个光束。在一个示例中，开发单个光学光谱系统以实时地完全表征小样品的物理和电学性质可以利用光的偏振、波长、和轨道角动量(OAM)来实现。偏振光源用于表征样品的原子和分子结构。源的波长表征了样品的原子和分子电子性质(包括它们的偏振度)。源的OAM性质主要用于表征分子手性，但这种新技术不限于手性分子或样品，且可应用于非手性分子或样品。这三个光谱尺寸组合起来大大提高了识别物质组成的过程。集成到小型手持光谱仪，3D或多参数光谱使消费者能够具有许多应用，包括有用的实时化学和生物信息。与其它泵浦-探测光谱技术相结合，3D/多参量光谱提供了超快的、高选择性的分子光谱中的新可能性。虽然下面的描述讨论了可以在多参数光谱系统5900中实现的多个不同的光谱技术，应当认识到，其他光谱技术可以被组合以提供本发明的多光谱分析系统。

光谱

光谱测量光与各种物质的相互作用。所述光可以被所述物质吸收或发射。通过分析被吸收或发射的光的量，可以确定物质的组成和量。

一些光能被物质吸收。与物质相互作用的给定波长的光可以以不同的波长发射。这发生在像荧光、冷光和磷光的现象中。光对物质的影响取决于光的波长和强度以及其与分子和原子的物理相互作用。

在图60中示出了在电磁谱的光谱区中进行相对测量的光谱仪的示意图，该光谱仪利用由分散元件进行光谱分散的光。特别地，设备6002，如单色仪、多色仪或干涉仪，从光源6004中选择特定波长。该单波长光与样品6006相互作用。检测器6008用于测量由该相互作用产生的光的光谱。当检测器6008扫过一定范围的波长时，测量得到的光6010的吸光度或强度的变化。已经开发了基于这些基本测量的不同光谱技术的范围，例如在A.Hind，“安捷伦101：光谱学简介”，2011(http://www.agilent.com/labs/features/2011_101_spectroscopy.html)中所讨论的那些，其通过引用整体并入本文。在此，包括红外、拉曼、太赫兹、荧光和轨道角动量光谱的分子光谱学技术受到关注。

分子光谱

红外光谱

各种类型的分子光谱学技术也可用于多参数光谱学系统中。这些技术包括红外光谱和其它光谱。

如图61中所示，红外频率出现在电磁波谱的可见光区域和微波区域之间。该频率，v(以赫兹(Hz)计)和波长，λ6102(通常以厘米(cm)测量)根据以下方程成反比关系：

和

其中，c是光速(3×10¹⁰cm/sec)。

光的能量通过下式与λ和v相关：

其中，h是普朗克常数(h＝6.6×10^-34J·s)。

红外(IR)光谱6104分为三个区域：近红外、中红外、远红外。中红外区域包括3×10^-4cm和3×10^-3cm之间的波长。

在红外光谱法中，红外辐射被有机分子吸收。当红外能量与特定分子振动模式的能量相匹配时，发生分子振动。在这些频率下，光子被物质吸收，而其它频率的光子透射通过物质。

不同物质的IR光谱通常包括在不同频率发生的唯一的透射率T，峰和吸收波谷，例如在图62中所示的所测量的水蒸气的IR光谱。

吸光度A通过下式与透射率有关：

A＝log₁₀(1/T).

每个物质表现出由其唯一的分子振动模式确定的唯一的红外光谱指纹或特征，所述分子振动模式允许通过IR光谱识别所述物质的组成。在水蒸气的情况下(图62)，例如，水分子吸收两个窄红外波长带内的能量，所述两个窄红外波长带看起来像吸收波谷6202。

分子振动

现在参考图63，水分子表现出两种类型的分子振动：拉伸和弯曲。由n个原子6308组成的分子6302具有3n个自由度。在类似水的非线性分子中，这些自由度中的三个是旋转的，三个是平移的，并且剩下的对应于基本振动。在线性分子6302中，两个自由度是旋转的，而三个是平移的。因此，对于非线性和线性分子的基本振动的净数分别为3n-6和3n-5。

对于水蒸气，有两个强吸收波谷6202(图62)发生在大约2.7μm和6.3μm，其分别作为水蒸气的两个拉伸振动模式6304和其弯曲模式6306的结果。特别地，对称和非对称拉伸模式6304在彼此非常接近的频率(分别为2.734μm和2.662μm)有吸收，并且类似波谷6202之间的图62中的单个较宽吸收带。

二氧化碳CO₂显示出两个剪切和弯曲振动6402，6404(图64)，它们是相等的并且因此具有相同的简并频率。该简并在图65的红外光谱中出现在λ＝15μm处。CO₂的对称拉伸振动模式6404在红外中不起作用，因为它不会扰动其分子偶极矩。然而，CO₂的非对称拉伸振动模式6402的确干扰分子的偶极矩并导致CO₂中在4.3μm处的吸光度，如图65所示。

分子的分子拉伸和弯曲振动模式(图63和图64)均可利用简单的经典力学模型预测到有用的近似理论。

拉伸振动

当作为由弹簧约束的两个相等质量的简单经典谐波振荡器处理时，分子键的拉伸频率可以由虎克定律估算：

其中，k是弹簧的力常数，m是原子的质量。

在经典的谐波振荡器中，能量取决于弹簧被拉伸或压缩的程度，

其中，x是弹簧的位移。然而，虎克定律的经典模型与分子的能量吸收不一致，因为其表明会吸收任何频率的能量。通过量子力学表达式对真实分子中的振动运动进行量化和适当建模，

其中n是每个允许的能级的主量子数(n＝0，1，2，3....)特征。

最低的能级是E₀＝1/2hv，其后是E₁＝3/2hv。根据选择规则，仅允许跃迁到下一能级。随后，分子以hv的整数增量吸收光子能量。然而，对于2hv或3hv的光子吸收能量，所得到的吸收带被称为红外光谱的倍频，并且具有比基本振动带更小的强度。

如果拉伸太远，分子中的原子键可能会分离，并且不能被压缩超过某一点。这样，分子实际上是非谐振子。在图66中示出了作为原子间距的函数的非谐振子的能量，其能量最小值出现在正常键长度6602(相当于松弛的经典机械弹簧)。随着原子间距的增加，量化能级6604变得更紧密地间隔，并且能量达到最大值。允许的跃迁，hv，的幅值变得更小，与使用图67中所描述的简单谐波振荡器理论预测的泛频能量相比，其提供更低的泛频能量。

尽管该数学框架表示有用的(如果不是简单的)近似，大分子中的两个原子之间的振动活性不能与分子中其它原子的振动行为分离。分子中的两个键的振动可以以这样的方式耦合，即一个收缩或膨胀，而另一个在非对称或对称的拉伸振动中收缩。当出现这种情况时，观察到不同的吸收频带而不是如在具有相同的力常数的键振动中的两个相同原子时观察到的重叠的、或是简并的带。

红外光谱用于通过其独特的振动和旋转光学特征来识别物质种类。使用互补光谱学技术，即拉曼光谱，通过物质唯一的光散射特征来识别物质，正如在下一部分中讨论的。

拉曼光谱

拉曼光谱是通过物质散射的光的量来表征物质的技术。拉曼光谱补充红外光谱，而不同的是，红外光谱测量由物质吸收的光的量。拉曼光谱和红外光谱可进一步与OAM和偏振光谱学结合使用，以进一步提高分析结果。当光与物质相互作用时，其分子的偶极矩的变化产生红外吸收带，而它们的偏振率的变化产生拉曼带。所观察到的能量带顺序源于特定分子振动，所述特定分子振动共同产生表示每种分子类型的唯一光谱特征。在红外光谱中禁止出现拉曼光谱中的某些振动模式，而使用OAM的两种技术或多参数技术可以观察到其它振动模式。当后面的这些模式同样用于两种技术时，它们的强度显著不同。

光子与分子的最频繁的相互作用导致瑞利散射，其中由于激发的电子衰减到其原始能级，光子被弹性散射。因此，瑞利散射光子具有与入射光子相同的能量。

随着1928年C.V.Raman和K.S.Krishnan发现无弹性光子散射现象，拉曼光谱被确立为实用性的化学分析方法，其可用于表征包括固体、液体和气态样品的多种多样的化学品种。固态晶体晶格振动通常在拉曼光谱中是活跃的，并且它们的光谱出现在聚合物和半导体样品中。气态样品呈现出可由振动跃迁表征的旋转结构。

近似1％的入射光子不弹性散射，并产生较低能量光子。拉曼散射是由分子的振动、旋转或电子能量的变化导致的。散射分子的振动能量相当于入射光子和拉曼散射光子之间的差异。当入射光子与分子的电偶极相互作用时，这种形式的振动光谱通常被认为是分子的电场的扰动。然而，量子机械地，将散射事件描述为对虚拟能态的激发，所述虚拟能态的能量低于具有几乎一致的振动能量的衰减和变化的真实电子跃迁的能量。这种光谱学可以与携带OAM的入射光子一起工作。在拉曼光谱中，入射光子激发电子到与其原始能级不同的最终能级(图68)。

由于拉曼散射强度低，振动能量耗散产生的热量不会造成物质温度的明显升高。这种拉曼光谱可与携带OAM的入射光子结合工作。在室温下，振动激发态的布居很小。图68中所示的斯托克斯偏移的散射事件通常在拉曼光谱中观察到，因为室温下激发的振动态是低的，并且电子起源于基态。非弹性拉曼散射光子6802具有比入射光子6804更低的能量，因为电子衰减到高于原始基态6808的能级6806。反斯托克斯偏移散射事件6810由最初在振动激发态中的少部分分子产生(图68)，反斯托克斯偏移散射事件将它们留在基态6812并得到具有较高能量的拉曼散射光子。在室温下，反斯托克斯偏移的拉曼光谱总是比斯托克斯偏移的光谱更弱，因为斯托克斯光谱和反斯托克斯光谱包含相同的频率信息。由于这个原因，大多数拉曼光谱学仅集中于斯托克斯偏移的散射现象。

振动模式能量可以用来建模的力常数受到包括原子质量、分子种类、键级和分子的几何排列在内的分子结构的影响。然而，当分子的偏振率受到影响时，发生拉曼散射。

分子的偏振率α作为电场与感生偶极矩之间的比例常数，

P＝αE

感应偶极子对入射光子频率的光子(瑞利散射)进行散射。然而，分子振动可以改变偏振率并引起光子的非弹性拉曼散射。偏振率的变化可由下式表示

其中，Q在垂直于振动的方向上，并且被认为是用于拉曼活性振动的选择规则。

在存在受扰对称中心(例如，永久偶极矩)的情况下，在具有对称中心的分子的红外中不存在拉曼活性振动，表明不存在红外活性振动。

拉曼带的强度与偏振率的空间变化的平方、或感生偶极矩成比例，

因此，稍微诱导偶极矩的入射光子将产生非常小的强度的拉曼带。较强的拉曼散射系统是具有较高α值的那些，例如具有双碳键的分子，所述双碳键表现出更宽泛分布的易于偏振的电子。随后，由于散射强度与浓度直接成比例，通过拉曼光谱学可测量的化学浓度的范围相当大。

拉曼光谱显示出优于其它光谱学技术的几个优点。由于其检测基本振动模式，拉曼带表现出良好的信噪比。因此，测得的样品的拉曼特征通常更明显和明确。

对于分析水溶液，拉曼光谱比红外光谱更有用，因为水的拉曼光谱弱并且不引人注目，而水的红外光谱非常强且更复杂。在有机和无机化学中，共价键的存在产生唯一的拉曼特征。拉曼光谱设置仅需要入射到物质上的适当激光源和收集散射光子的检测器，这使得对精细样品制备的需要最小化。拉曼光谱学是非破坏性的，因为物质仅仅用激光照射。由于拉曼效应弱，拉曼光谱仪的效率和优化是极其重要的，以在最短的可能时间内提供对最少的分子浓度的测量。

自发拉曼光谱

自发拉曼散射的强度线性取决于光的入射强度，但是强度要低几个数量级。量子机械地处理光-物质相互作用，可以根据与分子的振动模式，H_v，光，H_γ，和它们的相互作用，H_vγ相关联的能量来表示总的哈密顿函数，

H＝H_v+H_γ+H_vγ

在该框架中，

H_v＝1/2m(p＾2+ω_0^2 q^2)

具有振动频率ω_0和正常模式振幅q，q可以用分子振动的产生和消灭算符来表示，

具有电偶极矩μ。其使

利用光的产生和消灭算符，和a，获得场量化，

其中，e_(k_λ)是场偏振单元矢量场和V_int是相互作用体积。然后，光的哈密顿函数是

使用电偶极近似的一阶扰动，相互作用哈密顿函数可以由分子的偏振率α得到，

在本地坐标系q中。第一项表征瑞利散射。其余的一阶拉曼散射项用于表征自发拉曼散射，包括相干的激光场″E″_L，以及斯托克斯场和反斯托克斯场，分别为″E″_S和″E″_AS。在该表达式中代入q和E_γ产生

其中，H_γS和H_γAS分别是斯托克斯和反斯托克斯分支的相互作用哈密顿函数。

初始状态|i>和最终状态|f>之间的恒稳态跃迁率根据费尔米黄金定律给出，

在简单的谐波振荡器画面中，具有激发量子n_v的本征态|n_v>通过生成和消灭算符作用，以得到斯托克斯和反斯托克斯跃迁率

W_(n_v)→n_v+1，″and″W_(n_v)→n_v-1～n_v

因此，容易从给定线性关系的拉曼信号强度中确定n_v。

来自每个振动能级的拉曼强度用于识别唯一的振动分子模式并表征物质的组成。

拉曼模式的综合反斯托克斯强度与模式的平均振动量子数<n_v>成比例，

I_AS＝A(E_R/(hv_R))＝A<n_v>

其中，A是拉曼截面。除了使用玻尔兹曼分布，相对于相同模式的室温斯托克斯信号归一化I_AS，

<n_v>_0＝(E_R＾0)/(hv_R)＝1/(e^((hv_R)/(kT_0))-1)

其中，E_R^0是拉曼模式的室温(T_0)能量。通常，hv_R＞＞kT_0，因此<n_v>_0＝0，并且归一化的反斯托克斯信号近似为(n_v)，

I_norm≡I_AS/(I_R^0)＝A<n_v>/A(1+<n_v>_0)≈<n_v>

通过比较与不同振动运动相关联的标准化散射强度，可获得红外激发后在不同分子模式下的能量分布。

受激拉曼光谱

受激拉曼强度非线性地取决于光子的入射强度但具有类似的幅度。其中光学声子光子源于物质的第三阶非线性偏振的有限响应时间的光子的非弹性散射是拉曼散射的特征。在光学物质中传播的单色光产生自发拉曼散射，其中一些光子跃迁为新频率。如果泵浦束是线性偏振的，则散射光子的偏振可以是平行的或正交的。当偏移频率处的光子的散射强度由已经存在于这些偏移频率的现有光子增强时，发生受激拉曼散射。因此，在受激拉曼散射中，在下偏移频率处的并发光子接收增益，该增益例如可在拉曼放大器中利用，或有效地用于分子光谱学中。

已在玻璃纤维中观察到受激拉曼散射(SRS)，并且在单模光纤中测量拉曼增益。随着足够高功率泵浦激光器的可利用性，拉曼放大成为成熟的技术。

在传统的电磁框架内，受激的拉曼散射信号强度随泵浦和信号强度成比例地增加

(dI_s)/dz＝g_R I_P I_S

并且拉曼增益系数g_R与自发拉曼散射截面有关。因此，拉曼散射的可能性与泵浦波中的光子密度和拉曼截面直接相关。

斯托克斯波和泵浦波必须在空间上和时间上重叠以产生受激发射。由于拉曼过程涉及物质内分子的振动模式，其强度谱确定物质组成。例如，在无定形物质中，振动能级趋向于合并和形成带，并且泵浦频率在宽范围内可以不同于斯托克斯频率。然而，在晶体物质中，由于它们具有窄带宽，强度峰倾向于很好地分离。

用于前向拉曼散射的耦合波动方程包括

(dI_S)/dz＝g_R I_p I_S-α_S I_S

对于具有斯托克斯衰减系数α_S的斯托克斯强度，并且

(dI_P)/dz＝-ω_P/ω_S g_R I_p I_s-α_P I_P

对于泵浦波强度，其中ω_P和ω_S分别是泵浦频率和斯托克斯频率。对于后向散射dI_S/dz→-dI_S/dz。损耗不存在时，这些表达式简化为

d/dz(I_S/ω_s+I_P/ω_P)＝0

其在受激拉曼散射过程中体现了斯托克斯波和泵浦波中的光子数的守恒。

受激散射强度在受激增益超过线性损耗时增加，该线性损耗是必须被克服以启动受激拉曼散射的阈值功率源。在其中发生前向和后向散射的物质系统中，拍频驱动负责增加散射波振幅的分子振荡。进而，增加的波振幅增强了作为导致产生受激拉曼散射效应的正反馈回路的一部分的分子振荡。对于前向散射过程，去除泵减压项(pump depletionterm)，

(dI_P)/dz＝-α_p I_P

求解这个方程产生I_P(z)＝I_0e^(-α_Pz)，给出受激斯托克斯散射强度

I_S(L)＝I_S(0)e^(g_R I_o L_eff-α_P L)

其中有效光路长度通过下式给出

L_eff＝(1-e^(-α_p L))/α_P

受激拉曼散射由于在物质中的整个光路长度中发生的散射事件而增强，使其成为有用的分子光谱技术。

共振拉曼光谱

经典拉曼光谱中的拉曼效应仅取决于入射光的频率，该入射光的散射强度取决于v_0^4，如前所述。如果分子吸收跃迁的振动模式恰好与入射光的能量相匹配，则观察到的散射强度可能为～v_0^6。这种共振拉曼效应允许对在复杂的物质介质(如嵌入在生物膜中的蛋白质内的发色团中)的分子种类的高度灵敏的光谱鉴别。

在共振拉曼光谱中，仅增强了分子振动模式的小部分。在最简单的情况下，只有一个电子态可以是共振的。在这种情况下，共振拉曼信号是由在所述基态与所述激发态之间跃迁时分子扭曲引起的核运动的结果，在所述激发状态中入射光引起共振。

大多数生物发色团的功能组分由与共振拉曼光谱选择性敏感的特定电子跃迁共轭的原子组成。测量的共振拉曼带的频率产生关于用于诱发共振的跃迁中涉及的电子状态的振动结构的信息。散射强度提供关于与电子跃迁耦合的模式的性质的信息。

涡旋光中的拉曼效应

经受频率为v_0、强度为I_0的平面偏振入射光的、振态m的分子被扰动为新的振态n。这种相互作用导致光的频率偏移v_mn＝v_m-v_n并通过立体角(solid angle)4π散射，散射的频率为v_0+v_mn。从m到n的跃迁期间的散射强度由下式给出：

其中，电场的振幅由下式给出：

其中，m，r和n分别是初始的、中间的和最终的能态E_m，E_r，E_n的量子数。

在电场强度的振幅

和它的与偏移的散射辐射感应扭矩相关联的振幅

之间是张量关系，其可以利用散射张量A_mn＝(α_ρσ)_mn以下式表示

或者在分量表达式中表示，

而散射张量A_mn可以被表示为

因为以张量A_mn的二元分量写出的包括M_rn M_mr，对于从m到n的跃迁，偏振张量α的每一个ρσth矩阵元素可以用中间电子振动态来写出

其中，(M_ρ)_mn是存在辐射算符m^_ρ时振动级m和n之间的跃迁矩阵，

(M_ρ)_mn＝∫Ψ_r^*m^_ρΨ_m dτ

因此，(M_l)_rn(M_σ)_mr是标量矢量分量(M_l)_rn和单位矢量α_σ的(M_σ)_mr的普通乘积。在三个互相垂直方向空间地固定的l，σ＝1，2，3如下式：

具有入射强度I_0＝(c/2π)A^2，然后

因此，总散射强度取决于激发光的偏振状态。通过对α的所有位置进行平均，或对以固定的入射波方向和偏振的散射分子的所有模进行平均化，

最后，对于每分子从m→n的电子跃迁，得到散射辐射的平均总强度

其中，ρ＝x，y，z和σ＝x^′，y^′，z′是独立的分别用于入射光子和散射光子的分子的固定坐标系。

利用涡旋光的拉曼效应选择规则

利用涡旋光研究拉曼效应的兴趣是在傍轴近似下的麦斯威尔方程的一组特殊解。拉盖尔-高斯方程可以通过具有高斯包络的普通的拉盖尔多项式数学地表征涡旋光的光束。在洛伦兹规范中，拉盖尔-高斯光束的矢量势是

A_(l，p)＝A_0(αe^_x+βe^_y)√(2p！/π(|l|

+p)！)w_0/w(z)L_LP^|l|((2ρ^2)/(w^2(z)))((√2ρ)

/w(z))^|l|e^(ilφ-iωt+ikz)

在(ρ，φ，z)坐标系中，在该坐标系中w(z)是在径向场幅度变为1/e时的光束腰(半径)。为了简明起见，通常只选择p＝0。在偶极近似法中，术语e^ikz是可以忽略的，因此拉盖尔-高斯光束的辐射算符可以被表达为

在此，e^iωt与光子发射相关，并且e^(-iωt)与光子吸收相关。

用于开发用以测量不同物质的唯一OAM拉曼特征的一组选择规则的以下通用框架适用于与受激拉曼光谱和自发拉曼光谱均相关联的强度分布。

确保A_(l，p)的非零矩阵元素所需的声子、入射光子和散射光子的不可约表示Γ_α，Γ_ρ和Γ_σ之间的关系是

使得h_(e，s)^α，(M_ρ)_(g，e)和(M_σ)_(g，s)为非零。引进，具有指数Γ_j^σ的拉曼张量P_αβγδ(Γ_j＾σ)以表示第a个声子的第j个分支以取代单个指数a，我们同样用(α，β)取代入射光子指数ρ和用(γ，δ)取代散射光子指数σ。

由于在拉曼散射过程中的光与物质的相互作用使光子的轨道角动量不受干扰，入射光子和散射光子可以分别以下述形式表示：

(ρ·∈_1)ρ^le^ilφ″and″(ρ·∈_s)ρ^le^(-ilφ)。

随后，P_αβγδ(Γ_j^σ)可以通过用于所有三个表达式的克莱布施-戈登(Clebsch-Gordan)系数确定，

对于晶体物质，前向散射的特殊情况将3×3拉曼张量减小到2×2。在这种情况下，用于l≥2激发的拉曼张量均具有相同的形式。因此，从对称考虑，对于l≥2，l依赖性消失。由于常数a，b，c，d和e取决于l和晶体的对称性，非零OAM对于l≥2个光子激发产生Γ₂声子，并对于l≥1个光子激发的Γ₃声子，使两个拉曼张量解耦。

OAM拉曼光谱表现出表征晶体物质的原子和分子组成的能力。需要更复杂的选择规则来充分获得具有其自身唯一的原子和分子对称特性的手性物质的OAM拉曼特征。

例如，在晶体物质的高度对称的情况下，该方法是相当直接的。给定周期性的晶格电势，晶体固体中的电子可以被表达为布洛赫波，

ψ_(n，k)(r)＝e^(ik·r)u_nk(r)，

使得连接基态ψ_(g，k)至激发态ψ_(e，k)的电子跃迁矩可以被写为

然后，l＝0的一阶泰勒展开式为

因为h_(e，S)^α，Q_α，和ΔE_es仅取决于晶体的性质而不是l，因此当使用涡旋光时只有M影响散射强度。随后，对于涡旋光与晶体固体相互作用的拉曼效应，电子波函数和l被保留作为相对于M(l＝0)的M(l≠0)的相对值。

拉曼散射强度增强可以通过选择合适的l值来识别，例如在闪锌矿晶体的情况下，例如，其中使用上述方法、基于对称的考虑，报道了针对l＝30的最大值。实践中，聚焦激光产生涡旋光对M的强度增强几乎没有影响，因为其在普通拉曼散射测量中与聚焦光类似。

偏振拉曼光谱

给定分子的偏振率相对于样品中分子的分布在空间上变化，平面偏振拉曼源可用于表征晶体的原子结构和聚合物膜、晶体和液晶的分子结构。

现在参考图69，偏振拉曼技术包括偏振器6906，其在样品6904和光谱仪6908之间平行(||)或垂直(⊥)于激光源6902的偏振状态取向。同样，偏振光学器件6910可被插入到激光器6902和样品6904之间，以选择入射在样品上的偏振的适当状态。

通过评估特定强度峰的去偏振率ρ，利用偏振拉曼光谱表征分子中的键振动的对称特性，

其中，I_⊥和I_||分别是具有垂直和平行于激光源6902的偏振状态的偏振的拉曼光谱带强度。

如图70所示，由偏振拉曼光谱仪7002获得的信息可用于补充由非偏振拉曼光谱仪7004获得的原子和分子信息。利用偏振和非偏振拉曼效应两者的单个集成光谱学单元7006使用组合的结果处理7008，其改善了通过使用多种类型的光谱分析光谱学处理来自样品的数据所获得的信息的整体质量和数量。

具有光学涡旋的拉曼光谱

典型的拉曼源是以电场为基模工作的高斯激光器，

在z方向行进，其中为偏振矢量。由这种光源产生的光具有被限制在横向(x，y)平面上的线性或圆形偏振，在z方向没有电场分量。于是感兴趣的感生偶极矩仅为P_x和P_y。

沿z方向入射在分子上的纵向模散射光，其完成分子的偏振率的图像以包括P_z。具有z分量的电场是具有偏振矢量的径向偏振光束，

在紧密聚焦时，存在多种方法以产生具有纵向分量的径向偏振场。在拉曼光谱中，感生偶极矩P_z是E_z的结果，E_z除了利用传统的拉曼光谱产生先前未观察到的新的振动模式之外，可以增加振动模式的强度。如图71所示,当在组合分析7108中与偏振7104和非偏振7106的拉曼光谱耦合时，由赋予光学涡旋7102的拉曼光束所获得的信息增加了第三自由度光谱能力。这种拉曼光谱也可以与携带OAM的入射光子结合工作。

THz光谱

在电磁波谱的远红外频率范围内进行太赫兹光谱(图61)，并且因此可用于识别分子中的远红外振动模式。由于使用明亮光源和敏感检测器，THz光谱能够提供比远红外光谱更高的信噪比和更宽的动态范围。这提供了对通常发生在对红外光谱惰性的生物和化学过程中的弱的分子间振动模式和分子内振动模式的选择性检测。THz光谱还可以与携带OAM的入射光子结合使用。太赫兹波通过在可见光和近红外光谱中不透明的介质并被水环境强烈吸收(见图72)。

THz光谱在历史上因缺乏适当的高功率光源而受到限制。然而，通过基于皮秒和飞秒激光脉冲生成THz射线，允许在远红外范围内对实际THz光谱的使用。目前，THz源包括短脉冲模式(例如，光电导天线，光整流器)或具有宽范围的可用输出功率(毫微瓦至10瓦)的连续波(CW)模式。

目前使用几种不同类型的THz源来探索生物、化学和固态过程。在生物和医学中经常使用1-3.5 THz范围的源以用于例如研究构象分子变化。目前使用THz光谱与使用拉曼光谱一样频繁。

太赫兹时域光谱

太赫兹时域光谱(THz-TDS)是最广泛使用的THz技术之一，其包括诸如由飞秒激光器提供的单周期THz脉冲的相干发射。这些脉冲的检测以约100MHz的重复率发生。

样品的二维THz吸收特性由THz成像技术表征。该技术在设计用于基于皮秒脉冲的THz-TDS以及利用诸如THz波参量振荡器、量子级联激光器、或光泵浦太赫兹激光器的连续波(CW)源的系统中被证明。THz光谱可与携带OAM的入射光子结合使用。

THz脉冲成像提供0.1-5 THz的宽的图像频率信息，而THz CW成像可以被实时执行，是频率敏感的，并由于显著较高的光谱功率密度而具有较高的动态范围。在脉冲和CWTHz成像中，光源的特性(相干性、功率和稳定性)是重要的。THz光谱仪可以在两个维度上机械地扫描样品，但是每个扫描的时间依样品尺寸而定。实时THz成像常用由电光晶体或热电相机组成的THz波探测器阵列进行。这种THz光谱可与携带OAM的入射光子结合使用。

THz成像具有差的分辨率，正如根据其小于1毫米的衍射极限和通过孔的低透射率(其导致低灵敏度)而估计的。为了超过衍射极限，使用近场显微镜来实现亚波长分辨率，尽管低透射率仍然是个问题。

荧光光谱

受入射光扰动，室温下激发分子中的电子从电子基态的最低振动能级7302被激发至第一(S_1)振动态7304或第二(S_2)振动态7306(图73)，并且可以占据几个振动子级中的任何一个。每个振动子级具有许多相邻的旋转能级，所述相邻的旋转能级非常相近，使得子级之间的能级跃迁几乎不能区分。因此，大多数分子化合物具有宽的吸收光谱，除了具有可忽略的旋转特性的分子化合物，诸如平面和芳族化合物。

在荧光光谱中，分子从入射光子吸收能量，获得激发态的较高的振动子能级(S_1或S_2)，然后通过碰撞失去其多余的振动能量，并返回到激发态的最低振动子能级。大多数占据S_2以上的电子态的分子经历由碰撞通过较高状态的最低振动子能级到具有相同能量的较低激发状态的较高振动子能级而导致的内部转变和衰减。电子继续失去能量，直到它们占据S_1的最低振动子能级7308。分子衰减到基态的任何振动子能级引起荧光光子的发射。

如果吸收和发射过程不同于该顺序，则量子效率小于1(unity)。从最低振动基态子能级到最低振动S_1子能级7308的“0–0”跃迁对于吸收和发射现象都是普遍的，而所有其它吸收跃迁仅发生在比荧光发射中的任何跃迁更高的能量下。发射光谱随后与对应上述“0–0”跃迁的入射光子频率处的吸收光谱重叠，而其余的发射光谱将具有较低能量并且等效地发生在较低频率处。由于分子与周围溶剂分子的相互作用，吸收和发射光谱中的“0–0”跃迁很少与给定的少量的能量损失完全一致。

因此，S_1和S_2中的振动子能级的分布非常相似，因为入射光子能量不会显著影响分子的形状。发射光谱中的带之间的能量差与吸收光谱中的能量差相似，并且经常地，发射光谱将与吸收光谱的镜像相似。尽管入射光子的频率从入射辐射的频率偏移，发射光谱的形状始终是相同的，因为荧光光子的发射总是从的最低振动子能级S_1发生。如果随着频率偏移，产生激发的入射辐射强度保持恒定，则发射光谱被认为是校正的激发光谱。

大多数复杂分子的量子效率与入射光子频率无关，并且所述发射直接与化合物的分子消光系数相关。换句话说，物质的校正的激发光谱将与其吸收光谱相同。荧光发射的强度与入射辐射强度直接成比例。

荧光光谱产生发射和激发光谱。在发射荧光透视法中，激发辐射保持在固定波长，并且发射的荧光强度作为发射波长的函数来测量。在激发荧光透视法中，发射波长被保持固定，并且荧光强度作为激发波长的函数来测量。这种类型的荧光光谱还可与携带OAM的入射光子结合使用。将发射和激发光谱两者一起执行产生正检查的物质的光谱图。感兴趣的物质可以包含许多荧光团，并且需要不同的激发波长来检查不同的分子，如图74A和图74B所示的针对色氨酸、弹性蛋白、胶原蛋白，烟酰胺、腺嘌呤二核苷酸(NADH)和黄素的吸收和发射光谱。

荧光光谱仪通过利用连续可变干涉滤光器或单色仪分析从样品发射的光的光谱分布(荧光发射光谱)。在更复杂的光谱仪中使用的单色器选择激发辐射并分析样品发射光谱。这样的仪器也能够测量发射强度随激发波长(荧光激发光谱)的变化。

与等效的吸收技术相比，荧光光谱的一个优点在于，样品可以包含在简单的试管中而不是精密的比色皿中，而不会因为简单的荧光计的几何配置而导致精密度的明显损失，在所述简单的荧光计中只有比色皿的小部分中心区域被检测器检测。因此，该比色皿的整体尺寸较不重要。

荧光光谱的灵敏度很大程度上取决于所测样品的性质，并且对于大多数物质，通常以十亿分之几或万亿分之几测量。这种显著的灵敏度使得能够可靠地检测非常小的样品尺寸的荧光物质(例如，叶绿素和芳香烃)。

荧光光谱例外地是特异性的且不易受干扰，因为很少的物质吸收或发射光(荧光)并且很少以与靶物质中的化合物相同的频率发射。

荧光测量在宽的频率范围内与样品浓度直接成比例，并且可以在高达约六个(onesix)数量级的浓度范围内进行，而不需样品稀释或样品池的改变。另外，荧光透视法的灵敏度和特异性减少或消除了对昂贵且耗时的样品制备程序的需要，从而加快了分析。总的来说，荧光透视法因为其高灵敏度代表了一种低成本的物质鉴别技术(小样品尺寸要求)。

泵浦探测光谱

泵浦探测光谱用于研究超快现象，其中泵浦束脉冲扰动样品的原子和分子成分，并且探测束脉冲用于在可调节的时间段之后检查受扰样品。该光学技术是瞬态光谱的一种类型，其中可以研究光化学或光物理相关分子的短期瞬态状态的电子和结构性质。通过监测与包括其反射、吸收、发光、和拉曼散射特征的探测束相关的性质来检查所得到的激发态。可以使用该技术来研究在飞秒至皮秒时间段内发生的电子和结构变化。

通常，泵诱发的状态表示分子的较高能量形式。这些较高的能量分子形式与其最低的基态能态不同，包括电子和/或核的再分布。

在图75中示意性地示出了基本泵探头配置。使用分束器7504，将由激光器7502产生的脉冲序列(pulse train)分成泵浦脉冲7506和探测脉冲7508。泵浦脉冲7506与样品7510中的原子和分子相互作用。探测脉冲7508用于探测在所述脉冲序列和所述探测脉冲序列之间的短时间周期之后所述样品内所产生的变化。通过改变具有光延迟线的脉冲序列之间的延迟时间，可以在研究样品被泵浦脉冲串导致的改变之后，在检测器7512处获得探测束的吸收光谱、反射光谱、拉曼散射光谱和荧光光谱。通过监测探测串7508作为相对时间延迟的函数，可以获得关于泵浦感应激发的衰减的信息。探测串7508通常在许多脉冲上被平均，并且不需要快速光电检测器7512。在泵浦-探测光谱中测量的时间分辨率仅受每个序列的脉冲持续时间的限制。通常，定时的不确定性必须小于由泵浦串引起的结构或电子过程的时间量程。

在两色泵浦探测光谱中，泵浦7506和探测光束7508具有由两个同步源产生的不同波长。虽然该技术在超快光谱中提供了额外的能力，但是必须确保精确的具有非常低的相对定时抖动的源同步。

与自发拉曼散射强度相比较，泵浦-探测拉曼光谱技术提供的散射强度可以通过不同的泵浦和探测频率，Ω和ω，极大地增强，如图76所示。泵浦束的频率被改变，而探测束的频率被固定。泵浦束用于诱导拉曼发射，而探测束用于揭示拉曼模式。泵浦束和探测束均以共线的方式横穿拉曼活性介质。当泵浦频率和探测频率之间的差与介质的拉曼振动模式频率ν一致时，由于泵浦光子通量，弱的自发拉曼光被放大几个数量级(10-10⁴)。如图76所示，实现增益。

泵浦束基本上被设计成在宽范围的样品内提供多种扰动激发。因此，泵浦-探测光谱适用于在其它光谱技术背景下使用，包括使用具有轨道角动量的泵浦束，如下一部分中所讨论。

轨道角动量(OAM)光谱

手性光学器件通常涉及圆偏振光，其中平面偏振态被理解为具有相反手性的圆形偏振的叠加。圆偏振光的右旋和左旋指示其自旋角动量(SAM)，±h，除了所述偏振之外，可以使用相关联的电磁场矢量的螺旋性。其与物质的相互作用是对映体特异性的。所述组合技术将具有用于不同物质的特定特征。

如上文更详细描述的，出现在光束中的光学涡旋在电磁场的波前面中引入螺旋度并且相关联的角动量被认为是“轨道的”。光子辐射的轨道角动量(OAM)通常被称为光束的“扭转”或“螺旋”性质。大多数有关赋予OAM的光与物质的相互作用的研究涉及非手性分子。

在布洛赫框架中与包络波功能相关联的固体物质中的非定域OAM，其在空间范围上是宏观的，可以与与原子相关联的本地OAM区分开来。后者与电子态的朗德g因子和有效自旋的一部分相关联，而前者对轨道相干系统(例如量子霍尔层、超导体和拓扑绝缘体)是有意义的。这些技术的开发表示改善对手性电子状态的散射和量子相干性的理解的机会，对于物质发现和量子信息具有潜在影响。为此，描述诸如与电介质物质的OAM与物质相互作用的理论框架是有用的。

赋予OAM的光束已被用于使用LG光束用时间分辨泵浦探测方案在固体中诱导这种非定域OAM状态，其中对于大量n掺杂(3×10¹⁶cm^-3Si)的OAM敏感二色性和未掺杂的GaAs(保持在5K的低温恒温器中)被利用。使用该方法，利用延时的探测束(其OAM分量在平衡的光电二极管桥中检测)诱导和测量电子的“涡流”。该研究表明，时间分辨的OAM衰减率(皮秒至纳秒)是掺杂依赖性的，与自旋和布居寿命不同，并且长于在以下文献中所预测的，M.A.Noyan和J.M.Kikkawa，“时间分辨的轨道角动量光谱”(物理应用快报(Appl.Phys.Lett.)107032406(2015)),其通过引用整体并入本文。

在图77中示意性地示出了简单的泵浦-探测OAM光谱分析仪，其中OAM泵浦束7702是在一些频率v_l下在l＝+1和l＝-1之间循环的l＝±1拉盖尔-高斯光束。泵浦束7702扰动样品7704中的目标分子，而直接探测束7406用于检查所产生的扰动。所述样品可以是结晶固体、无定形固体、液体、生物物质或无机物质。

呈现OAM(动量的方位角光子流)的光与手性分子的相互作用是几个最近的理论和实验报告的主题。一方面，相互作用的强度被认为是可忽略的，而另一方面，不仅确实存在这样的相互作用，其可以比在常规的偏振测量实验中发生的相互作用更强，其中，入射在溶液上的线性偏振光的方向由溶液本身的某一角度特性所旋转。少数有限的实验研究表明，前者的工作原理是正确的，这样的相互作用是可忽略的。

尽管如此，涉及赋予OAM的光束的各种光与物质的相互作用指示了在光谱学中宽范围的可能性，包括光纤中的声模和光子模之间的OAM传输，赋予OAM的拉曼旁带的生成，和用光学OAM“镊子”操作胶体粒子操作。

手性分子的OAM光谱

使用具有变化的整数方位角阶次l、行进通过多种浓度的葡萄糖的短光路长度的拉盖尔-高斯(LG)光束的最新实验支持预测存在可测量的OAM光与物质相互作用的理论。这些实验预测不仅存在相互作用，而且似乎要强于偏振测量，因为与在常规偏振研究(＞10cm)中为了获得线性偏振状态的可测量扰动而通常所需的相比，OAM光束的扰动发生在非常短的光路长度(1-3cm)内。

波动方程的高斯光束解及其对高阶激光模(包括厄米-高斯(HG))的扩展，通常在光学实验室中进行研究。特别感兴趣的是，LG模表现出螺旋形，或螺旋状的相位波前。除了自旋角动量之外，传播矢量包括通常被称为涡旋的轨道角动量(OAM)分量。

空间光调制器(SLM))经常用来实现全息图，该全息图调制高斯光束的相位波前，并且在为了各种目的设计的光束中具有更新的兴趣。

用于柱形坐标中的LG光束的电场的表达式如下，

具有光束斑点尺寸w(z)，复合光束参数q(z)包括螺旋波前和斑点尺寸的演化，整数p和l指数分别为径向模式和方位角模式。术语exp(ilθ)描述螺旋相位波前。准直的光束从通过如图15A至15D所示的由相位延迟分叉光栅或全息图近似编码的SLM反射。用于叉形全息图的生成方程可以写为傅立叶级数，

其中，r和是坐标，l是涡旋的阶次，以及D是远离分叉杆的直线运动的光栅周期。傅立叶分量的权重t_m可以利用整数阶次的贝塞尔函数写为，

t_m＝(-i)^mJ_m(kβ)exp(ikα).

其中，kα和kβ分别偏置和调制所述光栅相位。仅需要很少的项以生成OAM光束，例如-1≤m≤1，

如图78所示，对于通过含有不同浓度的葡萄糖的3cm比色皿传播的OAM模阶次l＝5，6，7，发现OAM特征相对于浓度是非线性的。虽然该初步数据是有噪声的，但是该趋势在几个OAM阶次上持续，并且在为了方便所作出的几个设置重新对准以及其他改变之后是每天可重复的。

葡萄糖在～750nm处呈现出宽的光吸收带，FWHM～250nm。在543nm处观察到更强的OAM响应，在此处吸光度与633nm处相比小四倍。这表明是基于敏感性的实部χ^′的相互作用，而不是其虚部χ″。在利用长度为20cm的比色皿的单独的葡萄糖偏振测量实验中，在543nm处测量的比旋度比在633nm处测量的大50％。与先前的使用溶液中的手性分子的OAM偏振测量研究一致，用OAM光束通过3cm或更短的样品，没有观察到可辨别的偏振状态变化。

虽然已知葡萄糖在这些波长具有偏振测量响应，但浓度路径长度乘积cl在此OAM研究中太小而不能在偏振状态中产生可测量的偏移。使用赋予OAM的光束报告的观测到的拓扑变化表明OAM光束与手性分子的相互作用比与传统偏振测量相关联的相互作用更显著。与手性分子相互作用的OAM光束可以导致新的计量技术，并且可能更丰富地理解精细的光与物质的相互作用。特别感兴趣的是表现出不同手性度的分子与光的相互作用，下一部分中描述的主题。

分子手性

分子的手性是其“手性”的几何性质，通过各种空间旋转、反转和反射操作来表征。传统上，分子的手性程度明显地受限于分子是“手性”或是“非手性”以及是“左旋”或是“右旋”。然而，手性的这种二元尺度不能很好地适用于可以被研究的数百万分子系统的详细光谱研究。取而代之的是，在过去二十年已经实现了0至100的连续范围的测量，被称为连续手性测量(CCM)。本质上，该手性的连续测量包括连续对称测量(CSM)函数，

其中，G是特别的对称基团，P_i是原始配置的点，是最近的G-对称配置中的对应点，n是配置点的总数。

目的是识别具有期望的G-对称的点集P_i，使得来自原始点集P_i的总归一化的位移是最小值。对称的范围0≤S′(G)≤1可以被扩展使得S＝100S′。相比于其他手性测量方案，CCM的优点包括其易于应用于各种手性结构，所述手性结构包括扭曲的四面体、螺烯、富勒烯、冻结旋转异构体、结、和手性反应坐标，所述优点还包括在不参考理想形状的情况下进行测量。参考最接近的对称组(σ或S_2n)得到唯一的手性值，从而允许与各种几何形状的直接比较。

然而，由于上述所描述的新技术讨论了使用向量束(即，具有“扭转性”加偏振的光束)的受激拉曼光谱或共振拉曼光谱的应用，该技术可同样应用于手性和非手性分子。

具有轨道角动量的拉曼

研究了轨道角动量对葡萄糖的拉曼散射光谱的影响。在拉曼光谱中已经观察到了变化，特别是与L＝0(高斯光束)相比较，在L＝2(螺旋形光束)的2950cm^-1处观察到了变化。其创新在于，如果糖分子具有一些类型的手性对称性7908，则可能存在使用OAM 7904和拉曼7906光谱的差分信号7902(图79)。针对来自氩离子和氦氖激光源的三个激光波长488nm、514.5nm和632.8nm，已经收集了葡萄糖、蔗糖和果糖的拉曼光谱，已经将信号制成表，并且每个振动的一致性与其他两个激光线都是符合的。由于不存在这些能量的直接电子吸收，所以没有像期望的那样观察到共振。然而，拉曼光谱对任何波长处的分子的局部和全局对称性敏感。差分拉曼信号将给出关于手性电磁场与糖分子的相互作用、以及潜在地导致血液中的低水平葡萄糖检测的所选对称性共振的基本信息。

用于这些测量的系统是共聚焦显微镜，使用在500nm和1200线/mm槽密度下闪耀的光栅将其附接到75cm单级光谱仪上。所用显微镜物镜的放大倍数为10x。为了产生具有L＝2的角动量值的OAM光束，将Q板并入系统中。

现在参考图80，示出了对准过程。在步骤8002处线性偏振器被插入到光束路径中，并在步骤8004处进行旋转直到达到最大透射强度。在步骤8006处将Q-板插入到光束路径中，并在步骤8008处定位产生OAM光束的中心(通过同心圆环的观测)。在步骤8010处，将圆偏振器插入在Q板之前。在步骤8012处，将线性偏振器置于Q板之后，以观察分成4瓣的结构。最后，在步骤8014处，使圆偏振器旋转直至最终线性偏振器的输出显示出对于最终线性偏振的所有角度的同心圆环。该过程是迭代的，也调节施加到Q板的电压(约4伏特)和方波驱动频率(约2KHz)。在没有最终线性偏振器的情况下进行测量。

得到的L＝2的光谱和L＝0的光谱(在光束路径中没有元件)如图81和图82所示，这两种情况都被归一化到最大值，对于这两种情况，所述最大值都是接近2800cm^-1的拉曼信号。从这些测量中，确实显示在两个不同激发之间存在不同强度。在400和550cm^-1，散射强度几乎增加50％，而L＝2的光谱显示出这些线中的每一个具有少量附加肩部。最明显的是双峰在2950cm^-1附近的强度比。

用于这些测量的拉曼系统是对准受限制的。附加波片的结合引起轻微的离散，这导致共焦系统中的显著的收集强度下降。假定，归一化将消除任何对准强度问题，然而信噪比受影响并且需要更长的积分。长积分时间不总是可能的或可行的。

这些测量需要对于葡萄糖重复，也需要对果糖进行。还需要检查的是对无OAM的纯圆形偏振的响应。我们应当能够实现对于Q板操作的对准和优化。还使用L＝l值和L＝20值的OAM。有前景的结果是，对于488nm我们将使用四分之一的波片，因为该激光在系统上在最短的采集时间内产生最佳的光谱。

虽然较高能量拉曼信号对于葡萄糖不是唯一的，因为它们代表存在于许多有机体系中的通用碳和碳氢键，但是可证明对手性系统来说是唯一的。另外，一旦该系统对于Q板被更好地优化，对葡萄糖来说更唯一的较低能量模式可以显示出更好的OAM差异。

单晶冰糖的光学活性

很好地研究了糖分子的光学活性，并且是分子的手性对称性的结果，分子的手性对称性导致赋予所述入射光小的旋转的所述糖系统的偏振，因此，最终透射的光束将具有依赖于存在的分子浓度的旋转。已经开始实验，以便使用轨道角动量开发用于经由物质的透射或反射来检测偏振变化的通用和灵敏的系统。该系统最适合使用SLM，使得可以产生任何类型的光束。作为起点，我们已经获得表现出样品的高结晶度和有规律的解理面(每个几毫米厚度)的冰糖的。这些糖果样品可以被抛光以在表面上具有光学质量光洁度，但是目前为止，内部缺陷已经阻止了清洁的透射测量，并且该信号被收集为正向散射。晶体解理成3块，其显示晶体平面的清晰对称性，晶体的z轴倾斜于解理面。当我们开始这些测量时，我们也同样将数据与Q-板输出进行比较。该测量系统将成为用于未来的偏振敏感测量和受激发的拉曼测量进行平衡和锁定检测的光学系统。

在适当配置的能够同时运行SLM，Matlab和视频捕捉的计算机上，需要用于SLM的多个检测器接入。

现在参考图81，将HeNe激光器的输出在1kHz附近斩波，并将其发送到单模光纤中。用两个双凸透镜对输出进行准直，通过半波板发送，以调节入射到Hamamatsu LCOS SLM8102上的偏振，其中每个SLM的操作规范具有<10度的入射角。SLM 8102显示分叉衍射光栅或利用MATLAB码生成的螺旋相位图案全息图，以生成所需的OAM光束。反射光束携带OAM和看见特征“同心圆环”形状，沿光束轴线具有零强度。然后，该光束通过一对交叉偏振器8104发送并被发送至用于锁定检测的检测器8106。我们还将探索结合使用平衡检测器的实验系统。

实验显示在这些抛光的糖晶体的强度曲线中约20度的偏移。一旦检测方案结束，就采取一系列测量。这些测量包括：

1.通过整个抛光晶体的光学活性。

2.通过每一个解理片的光学活性是无关的，以研究是否对于不同的解理方向存在光学活性的加/减效应，并且是否所述方向中的任一方向对OAM敏感。

糖化蛋白的拉曼检测

还可以用使用OAM的拉曼光谱研究Hb和Hb-A1c蛋白。哺乳动物血液被认为是结缔组织，因为其细胞组合物和由于其胚胎来源，并且还由于其血浆中的胶体蛋白质的来源和存在。红细胞和血浆蛋白是血液的主要成分。这些结缔组织成分在疾病条件下是用于代谢应激的目标，并导致化学变化。所有血液成分在高血糖状态下经历过多代谢应力。血液作为营养物、气体和废物的主要运送器。血浆作为将葡萄糖运送到组织的主要载体。正常的餐前血浆葡萄糖水平为80 mg/dl-130 mg/dl，并且正常餐后血浆葡萄糖＜180 mg/dl。葡萄糖的肾阈值(RTG)是血浆葡萄糖的生理最大值，超出该生理最大值，肾不能再吸收葡萄糖并在尿中排出。这是被称为糖尿的病症。糖尿是糖尿病(DM)的关键特征。DM中的高血浆葡萄糖将导致也被称为HbA1c的糖化血红蛋白的水平增加。在正常生理条件下，HbA1c水平＜7％，这也被表达为eAG，其在正常血糖条件下应低于154mg/dl。

DM中的血浆蛋白的糖化

糖化被定义为葡萄糖或其它己糖部分与蛋白质的非酶随机非特异性共价连接。在健康个体的正常血糖水平下，血液中的糖化血红蛋白(HbA1c)的水平＜7％，然而，在类似DM的高血糖病症下，其水平将增加。较高的血糖水平可以诱导像白蛋白的血液血浆的其他主要蛋白质的糖化。

测量DM中糖化蛋白的优点：

血糖水平的测量仅在给定时刻提供关于对象的血糖状态的信息，即具有不受控血糖水平达数个月的糖尿病人，如果他/她某一天在空腹状态下或者摄取低碳水化合物时进行测试，则可能产生正常的血糖水平。然而，血液中糖化血红蛋白(HbA1c)水平的测量生成有关患者在过去的2-3个月内的平均血糖水平的信息。因此，随着灵敏和可靠的实验室分析的发展，其已经成为过去十年以来用以测量DM患者的糖化血红蛋白的标准的临床实践。我们提出了使用拉曼光谱研究糖尿病血液及其用于检测特定拉曼指纹的成分，所述特定拉曼指纹可能是由于关键血液蛋白血红蛋白、血浆白蛋白和其他蛋白在其天然的和改变的物理状态下的非酶糖化导致的。蛋白质中的糖化过程诱导了化学改变、结构修改、构象变化。任何或所有这些都能导致可用作临床标记的特殊拉曼光谱变化。

利用具有532nm激发的小台式海洋光学拉曼系统进行测量。

色氨酸的拉曼光谱：

血红蛋白(四聚体)具有6个色氨酸残基，因此血红蛋白为荧光蛋白。色氨酸可进行糖化并导致血红蛋白的构象变化。色氨酸变化可以通过使用拉曼研究(Masako Na-Gai etal.Biochemistry，2012，51(30)，pp 59325941)来识别，其通过引用并入本文。为了理解色氨酸残基中的糖化诱导拉曼光谱变化，利用532nm海洋光学拉曼从分析级无定形色氨酸中获得拉曼光谱。

蛋白质的拉曼光谱：

使用海洋光学532nm拉曼系统和使用488nm、514.5nm和632.8nm的共焦拉曼系统，对白蛋白和糖化白蛋白样品的固体无定形粉末进行拉曼测量。从这些样品中没有观察到拉曼信号，并且因此我们需要在生理pH7.4的溶液中重新测试。

其次的步骤是：

1.NIR拉曼：血液及其成分在可见光范围内具有强烈的荧光，因此NIR拉曼可以帮助降低荧光，并从目标蛋白质分子获得良好的拉曼信号。

2.海洋光学532nm拉曼：这可以用于检测血液中的某些糖化衍生物。这需要来自人类对象或动物模型的正常和糖尿病的血液。并且通过使用这个系统还可以获得合成糖化产物的参考光谱，其稍后可用于与来自血液样品的拉曼信号相比较。

3.在活体动物模型内：为了活体血液的葡萄糖和糖尿病测试的未来实验的成功，需要在大鼠糖尿病动物模型中进行拉曼测量。

用于食品新鲜度、腐败和有机检测的OAM与拉曼技术

将被研究的另一方面是由于肉、农产品、乳制品和谷物的腐败引起的食物安全问题，以及利用拉曼和OAM确定有标签的食物是否为有机的。公众和个人的关心导致食品储存周期的质量、稳定性和安全性的政府调控和商业需求。而且，食品变质导致的食品腐败不仅导致健康问题，还导致食品制造和相关行业的经济损失。因此，需要将食物腐败最小化、确定食物新鲜度或将食物的货架期最大化。

此外，在2000年，美国农业部门(“USDA”)建立了用于术语“有机”的准则和国家标准。例如，如USDA指南所定义的有机食物指的是必须在没有下水道-污泥肥料、合成肥料和农药、基因工程、生长激素、辐照、抗生素等的情况下生产食物。

食品腐败的传统物理特征，例如令人不愉快的气味、令人不愉快的味道、颜色变化、质地变化和霉菌生长，在已经发生损害食品质量或安全性的生物化学过程之后很好地表现出来。结果，它们不是确定用于食品新鲜度、保存和腐败的可接受的标准的恰当的指标。

因此，对日期的研究包括对食品腐败的所谓的“生物标记物”的鉴定。该研究包括对产生与食品腐败的物理特征相关联的某些化学副产物的生化机理的鉴定。这些机理可以是物理的(例如，温度，pH，光，机械损伤)；化学的(例如酶促反应，非酶反应，酸败，化学相互作用)；基于微生物的(例如，细菌，病毒，酵母，霉菌)；或其它(例如昆虫，啮齿动物，动物，鸟类)。

研究的一个方面是使用OAM和拉曼技术来识别这些所谓的生物标记物及其相关联的浓度以更好地确定基本食物类别的货架期。另外，本发明的另一方面是研究不能将食品称为“有机”的化学品。例如，下面的表1示出了所研究的与与普通食品组相关联的食品腐败机理相关联的生化过程和化学副产物：

表1

本领域技术人员能够很好地意识到各种其它机理和生化指标，证明普通食品()的食品腐败，包括与食品腐败相关联的其它反应或挥发性或非挥发性有机化合物(VOC)副产物。同样，本领域技术人员将会很好地意识到证明食品没有资格作为有机食品的化学品和添加剂，不论研究谷物、乳制品、农产品还是肉类。

传统的光谱学技术不足以以任何有意义的方式实时或在足够的浓度中识别这些生物标记物以确定有问题的所述食品样品的货架期或所述食品的有机性质。本研究和发明将采用上述的拉曼和OAM技术进行分类、识别、和量化上述表中的各种生物标记物以及证明食品没有资格作为如联邦法规所定义的有机食品的普通化学品。

这些技术同样适用于生物标记物或化学物质是手性或非手性分子。然后这样的数据可以与被采样的食品组的降解浓度相关联，以确定对于食品新鲜度、腐败、有机质量和安全性的可接受的最小和最大浓度。

因斯-高斯光谱

可与一个或多个其它光谱技术结合的另一种类型的光谱技术是因斯-高斯光谱。因斯-高斯(IG)光束是椭圆坐标系中的傍轴光束的解。IG光束是正交本征态的第三次调用，并且可以探测样品的手性结构。由于IG模式具有优选的对称轴(与短轴相对的长轴)，这使得其能够比拉盖尔高斯模式或厄米高斯模式更好地探测手性。这使得与拉盖尔高斯模式或厄米高斯模式相比，在椭圆内芯光纤内有更多IG模式的传播。因此，可以将IG模式以使用拉盖尔高斯模式或厄米高斯模式的相同方式用作用于光谱的程序信号。这使得能够使用IG模式探测信号检测物质的类型和物质的浓度。

波动方程可以被表示为笛卡尔坐标中的亥姆霍兹方程，如下式：

E(x，y，z)是复数场振幅，其可以用在z方向上缓慢变化的包络和快速变化的部分来表示。

E(x，y，z)＝ψ(x，y，z)e^jkz

可以通过在亥姆霍兹方程中替代我们的假设来确定傍轴波近似。

然后，我们缓慢地改变包络近似

其包括傍轴波动方程。

椭圆-柱形坐标系可以如图82中所示的那样限定。

x＝acoshξcosη

y＝asinhξsinη

ξ∈(0，∞)，η∈(0，2π)

如图83所示的ξ轨迹共焦椭圆的恒定值曲线。

常数值给出如图84所示的共焦双曲线。

(双曲线)

然后可以以如下方式定义椭圆-柱形坐标系

其中h_ξ，h_η是比例因子，

然后可以在椭圆坐标中进行傍轴波动方程的解。椭圆圆柱形坐标中的傍轴波动方程被定义为

假设可分离的解作为基本高斯光束的调制形式。

IG(r^～)＝E(ξ)N(η)exp(jZ(z))ψ_GB(r^～)

其中

E，N&Z是实函数。它们具有与ψ_GB相同的波前，但是不同的强度分布。

分离的微分方程被定义为，

其中，a和p是分离常数，

因斯-高斯方程的偶数解是

偶数因斯多项式的频率在图85A和图85B中示出，并且在图86中示出了模式和它们的相位。

用于因斯-高斯方程的奇数解是

在图87A和图87B中示出了奇数因斯多项式的频率，并且在图88中示出了模式和它们的相位。

因此，如前面关于图59所讨论的，通过组合两种或更多种不同类型的光谱学技术，各种类型的不同参数可以被监测，并用于确定样品物质的种类和浓度。使用多种类型的光谱参数分析能够用于更精确地和详细地分析样品类型和浓度。因此，任何数量的光谱技术例如光学光谱、红外光谱、拉曼光谱、自发拉曼光谱、激发拉曼光谱、共振拉曼光谱、偏振拉曼光谱、具有光学涡旋的拉曼光谱、THz光谱、太赫兹时域光谱、荧光光谱、泵浦探测光谱、OAM光谱或因斯高斯光谱可以以任何数量的各种组合使用，以便提供对各浓度的样品类型的更好检测。应当认识到，本文讨论的光谱学的类型并不限制于对样品物质的分析中使用的光谱技术的任何组合。

具有OAM的多参数双光梳光谱

可以使用能改进结果的配对光频梳来执行精确光谱学。现在参考图89，在宽带频率光梳光谱中，通过常规光谱仪读取来自光频梳的信号，但在称为双光梳光谱的技术中，去除了传统光谱仪8902和仪器对速度和分辨率的限制。作为替代，第二频率梳8904执行先前由光谱仪8902执行的工作。结果可以在数据采集速度、光谱分辨率和灵敏度方面具有显著的增益。这些技术可以结合利用波长、偏振和OAM光谱8908的多参数光谱8906使用。

光频率梳

光频率梳8904是由成千上万个或数百万个等间隔的、清晰的线条类似物组成的光谱，其具有同时以不同的等间隔的频率进行发射的大量的连续波(CW)激光器。可以以多种方式生成光学梳；最常见的方法是采用相位稳定的锁模超短脉冲激光器。在时域中，激光以特定的重复率产生脉冲序列，并且每个连续的脉冲具有特定的、增加的附加载波包络相位。当脉冲序列的重复率和载波包络相位都针对射频或光频参考稳定时，激光周期脉冲序列的傅里叶变换在频域中示出了清晰的梳状光谱。

如果频率梳已很好地稳定，并参考绝对频率标准，如原子钟，光梳光谱成为用于测量光频率的极其精确的标尺。已经发现该标尺在多种科学问题中的应用：原子、离子或分子跃迁的高分辨率频率测量，以解答物理中的基本问题；对微小量的多普勒频移的检测；以及在阿托秒物理、超纯微波产生、在长距离上的时间-频率传输、对原子量子位的操纵等中的其他应用。

用于频率梳的最活跃的研究领域之一是宽带分子光谱。梳的数百万个等间距的清晰线条提供了测量具有高光谱分辨率和灵敏度的复数宽带分子特征的机会。然而，利用这些优点需要足够高分辨率的光谱仪来分辨每个单独的梳状线。一种方法可以是使用基于与衍射光栅相结合的虚拟成像相位阵列(VIPA)分散器的光谱仪；另一种普通方案采用分析化学法，迈克尔逊型傅里叶变换光谱仪，和取代传统的宽带，通常是具有频率梳的非相干光源。

在频率梳光谱法中，将频率梳脉冲序列分为干涉仪臂，其中之一包括机械扫描镜，并且两个脉冲序列被发送通过待分析样品。当反射镜被扫描时，用单个光接收器和数字转换器记录一系列干涉图；干涉图的傅里叶变换产生光谱，具有由干涉仪的最大光程差确定的分辨率。

双光梳优点

采用如上所述的迈克尔逊型设置进行频率梳光谱的关键缺点是：设置的扫描速率，其受扫描镜的速度的限制，通常仅在Hz的量级。双光梳光谱通过使用第二频率梳而不是移动镜来提供延迟时间来减轻了这个缺点。结果可以是光谱仪的性能的显著增强。

在双光梳设置中，脉冲序列形成具有与第一梳稍微不同的脉冲重复率的第二梳，其在空间上与来自第一梳的序列组合。组合的脉冲序列通过待分析的样品，并由光接收器检测。结果是，在时域中，脉冲之间的类似互相关的干涉仪信号的重复系列，具有基于两个光梳之间的重复率差而稳定增加的时间差。因此，双光梳干涉图具有类似于常规迈克尔逊型傅里叶变换光谱仪的特征，但由于双光梳设置不依赖于镜的机械运动，其扫描速率比迈克尔逊型干涉仪的扫描率快几个数量级。

双光梳光谱的另一个优点在频率域。在此，具有稍微不同的重复率的两个光梳的混合导致第三个降频转换的射频(RF)光梳，其齿之间的间距等于两个光梳之间的重复率差。因此，在该降频转换的RF光梳上对样品的响应进行编码，并且两个光梳之间的跳动测量产生可从RF光梳回收的多外差信号。总之，降频转换的光梳继承了光频梳的相干性，使得具有高分辨率和精确度的宽带光谱具有RF外差检测的速度和数字信号处理优点。

小型可穿戴设备

还可以实现基于拉曼和NIR吸收以检测身体中的生理化学水平的变化的紧凑型可穿戴光学装置。随同新型检测方案，我们还开发了紧凑型集成电子-光子系统(最终是集成的硅光子系统)。可穿戴设备9000应包括如图90所示的下述部件。MCU(微控制器)9002控制可穿戴设备9000的整体操作。BLE(蓝牙低能量)发射机/接收机9004将信号传输至可穿戴设备9000和从可穿戴设备9000传输信号。互阻抗放大器(TIA)用于内部放大信号。驱动器9008用于驱动设备9000内的LED/激光器。高分辨率ADC 9010执行模拟到数字转换。闪存9012将数据存储在可穿戴设备9000内。实时时钟9014控制内部时钟操作。

主要要求为每一部件的低静态电流，进入深睡眠模式的能力，工作模式下的低电流消耗，用于实时时钟/低功耗操作的低频率模式，和MCU(微控制器)与BLE(蓝牙低能量)的单电池运行。2013-2015型号年的MCU+BLE芯片组提供以下部件选项：

a)EFM32(MCU硅实验室)+CC2541(BLE芯片德州仪器公司)或BCM20732(博通公司)，或者

b)单芯片解决方案(诺斯半导体公司)NRF51822，其包括类似Cortex M0核心和BLE无线电，BLE堆叠通过下属诺斯所有的OS(软设备)(其占据约100 kB的芯片内存)实现。

这两种解决方案中的任一种都在90％的现代BLE可穿戴设备中使用。在本例中，优选实施例将使用来自诺斯半导体的单芯片解决方案。主要特点是：

1)用于实时时钟的外部晶体，

2)256Kb的内存(256kb-100kb(软设备)＝156kb用于程序和存储)

3)1uA范围内的睡眠模式

4)对所有标准BLE轮廓及高达4dBm的可调无线电功率的支持

它还支持在将来开发中有用的ANT协议。

近红外激光二极管系统提供在1570nm-1600nm之间的约30个可控通道，以及在1450和1600之间的附加可调谐源。

类似的便携式设备可用于如上所述的其它实施例和用途，包括蛋白质和食品腐败或食品有机生物标记物的检测，这是由于与食品腐败相关的各种生化机理。

OAM身体成像

通过身体成像以及成像身体的某些部分对于大多数生物医学光学技术来说是关键的。过去的工作已经开发了在NIR中的选择透射窗口中的成像和光谱学，其中葡萄糖和蛋白质具有强吸收，而水具有减小的吸收。由于葡萄糖或其它化学化合物的光学检测将很可能需要在没有来自其它分子的强吸收的区域中，并且将用OAM光束进行，可以使用利用OAM的身体组织，脑，骨骼和皮肤的成像。调查的可能路线将是相位对比和暗场成像，在NIR和双折射成像中通过散射介质进行OAM的弹道传输。一旦获取并测试了合适的检测器，可用于可穿戴设备的二极管激光器也可以被并入NIR OAM成像中。NIR中的单通道检测器比2D CCD阵列便宜，然而，当利用单通道检测器成像时，将需要扫描系统和图像构建软件。

潜在应用

可在宽电磁频率范围内同时操作偏振、波长和OAM光谱的紧凑型可手持的3D光谱仪使用户能获得大量有用的信息，所述信息是关于例如他们的食品和空气质量、家庭生物污染、医学鉴定和诸如有关龋齿的实时信息等的健康相关问题。本部分概述了三维光谱学的一些潜在应用。

食品工业

食品物质主要由水，脂肪，蛋白质和碳水化合物组成。食品物质的分子结构和浓度支配它们的功能特性。根据对人类消费或暴露的适用性的最低标准，这些性质的量化指示了食品的质量，该标准包括可能影响诸如货架期等参数的化学、生物和微生物因素。对我们的食品供应链的产业化的最新进展和消费者饮食习惯的变化对为了安全和质量必须对我们的食品进行分析的快速性产生了更大的需求。这种需求需要诸如光谱学之类的适当的分析工具。

食品光谱学是一种理想的分析方法，因为它需要最小或无样品制备以及快速的、生产线的测量。给定光谱分析的性质，可以对样品进行多次测试。

在我们的食品供应的工业化生产线以外，可以在个体消费者水平使用新型的光谱技术。例如，个人消费者可以对他的食品中的糖浓度、整体食品质量、成熟度进行分光测量，或利用口袋大小的基于激光的光谱仪将本地杂货店中的西瓜鉴别为已经变质。

用于防御和国家安全的纳米物质开发

用于防御和国家安全技术的纳米物质开发通常需要绑定位点以识别感兴趣的目标。多个光谱技术目前基于诸如电子吸收(UV-vis)、光致发光(PL)、红外(IR)吸收、和拉曼散射等的光的吸收、散射，而更先进的技术包括单分子光谱、和频产生、和上转换发光。这些光谱技术有助于作为生物传感器和化学传感器使用的纳米物质结构的制造过程。

化学工业

气体传感器的光学光谱可用于各种环境、工业、医疗、科学和家庭应用。该气体可能对人类健康是有害的大气污染物，或对于工业或医学目的来说其浓度是重要的。除了触发报警之外，经常需要测量准确的、实时的特定目标气体的浓度，其通常在其它气体的混合物中。消费者可使用家庭单元监测作空气中的生物或化学危害物，如机载细菌或一氧化碳以及在儿童游乐区域、玩具和卧室中的或其周围的表面活性剂污染。这样的单元在学校教室、商业办公室、购物商场中将是有用的，以提醒设施管理者认识到潜在的健康危险。另外单元可用于各种工业设置中，包括例如化学和/或石化设施，包括但不限于使用近红外光谱。除了检测各种气体易散性排放的提高的环境益处之外，这样的检测为工业操作者修理易散性排放源以用于提高产品回收和减少政府罚款提供了各种经济益处。

制药工业

药丸、胶囊和液体中的高精确药物浓度的制造工艺需要严格的实时监测，如可以通过光学光谱技术进行。一旦产生和分布，消费者可以使用集成到手持设备中的先进的实时光谱技术在家中容易地识别药丸和药物。

医疗行业

开发非侵入性检测疾病的更复杂的光学活检技术受到强烈关注。这些技术可由可光学活检组织的光谱学驱动，而无需从患者身体中移除它。可以开发这样的技术以产生用于精确的前列腺检查、乳腺摄影术和其他癌症检测过程的光子手指成像器。口袋大小的皮肤病学光谱仪将给出患者专用的实时信息，其可与患者的医疗记录相结合以用于医疗专业人员的讨论。

小型手持光学光谱仪的使用可以集成到患者的日常健康维护时间表中。一个例子是在常规眼科检查中通过光谱检测，早期检测与阿尔茨海默病和帕金森有关的化学物质。

牙科

日常个人牙齿保健需要诸如牙刷和牙线的小的工具和器械。牙刷尺寸的光学光谱仪可用于检测小龋齿(蛀牙和空洞)的发作并警告消费者以制定日程拜访家庭牙医，消费者在预定的拜访之前，可能已经将有关牙齿的特定信息发送给了牙医。

生物医学光子

这些技术可以应用于但不限于，诸如用以测量氧和血流的光学光谱和相关方法的神经成像应用；用于功能成像的新显微镜的开发以提高使用功能近红外光谱对脑活动和心理的测量的定量分析；诸如用以对血流进行测量的漫反射相关光谱等开发技术，和对大脑血红蛋白的多光谱光学成像的开发。

得益于本公开，本领域技术人员将意识到，该系统和方法基于唯一的特征检测样品中的物质的存在。应当理解，这里的附图和详细描述应被认为是说明性的而非限制性的，且不旨在对所公开的特定形式和示例进行限制。相反，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，正如在以下权利要求中所限定的，包括对本领域普通技术人员明显的任何进一步的修改、变化、重新布置、替换、替代选择、设计选择、以及实施例。因此，以下权利要求旨在被解释为包括所有这些进一步的修改、变化、重新布置、替换、替代选择、设计选择、以及实施例。

Claims (30)

1.一种用于检测样品内的物质的装置，包括：

发光单元，用于引导至少一个光束通过样品；

多个光谱单元，用于接收通过所述样品的光束并基于所接收到的光束对所述样品执行光谱分析，所述多个光谱单元中的每一个分析有关所述样品的不同参数以提供有关所述分析的单独的输出信号；和

处理器，用于检测与所提供的单独的输出信号中的每一个有关的所述物质。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个光谱单元进一步包括：

第一光谱单元，用于接收通过所述样品的所述光束并执行偏振波分析以产生偏振参数输出信号；

第二光谱单元，用于接收通过所述样品的所述光束并执行波长分析以产生波长参数输出信号；和

第三光谱单元，用于接收通过所述样品的所述光束并执行轨道角动量(OAM)光谱分析以产生OAM参数输出信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个光谱单元进一步包括：

第一光谱单元，用于接收通过所述样品的所述光束并执行拉曼光谱分析以产生拉曼参数输出信号；

第二光谱单元，用于接收通过所述样品的所述光束并执行红外光谱分析以产生红外参数输出信号；

第三光谱单元，用于接收通过所述样品的所述光束并执行轨道角动量(OAM)光谱分析以产生OAM参数输出信号；和

第四光谱单元，用于接收通过所述样品的所述光束并执行偏振波分析以产生偏振参数输出信号。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个光谱单元中的至少一个包括双光梳光谱单元，其利用配对的相干频率光梳用于接收来自所述样品的光束并执行双光梳光谱分析以产生输出信号。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个光谱单元进一步包括：

第一光谱单元，用于接收所述光束并执行拉曼旁带光谱分析以产生第一输出信号；

第二光谱单元，用于接收所述光束并利用OAM镊子执行胶体粒子操作；并且

其中所述光束包括赋予OAM的光束。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个光谱单元中的至少一个包括：

第一光谱单元，用于接收所述光束并执行OAM光谱分析，所述OAM光谱分析检测与布洛赫框架内的包络波函数相关联的非定域OAM；和

第二光谱单元，用于接收所述光束并执行OAM光谱分析，所述OAM光谱分析检测与样品内的原子相关联的本地OAM。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个光谱单元包括：

第一光谱单元，用于接收通过所述样品的光束并执行偏振波分析以产生偏振参数输出信号；

第二光谱单元，用于接收通过所述样品的光束并执行轨道角动量(OAM)光谱分析以产生OAM参数输出信号；

进一步地，其中所述处理器检测由所述偏振参数输出信号和所述OAM参数输出信号指示的所述样品内的所述物质的唯一特征。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个光谱单元包括：

第一光谱单元，用于接收通过所述样品的所述光束并执行轨道角动量(OAM)光谱分析以产生OAM参数输出信号；和

第二光谱单元，用于接收通过所述样品的光束并执行荧光光谱分析，以检测所述样品内的发射光谱和激发光谱并产生荧光参数输出信号。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述荧光光谱分析保持所述激发辐射在固定的波长处并测量作为发射波长的函数的发射荧光强度。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个光谱单元包括：

第一光谱单元，用于接收通过所述样品的所述光束并执行轨道角动量(OAM)光谱分析以产生OAM参数输出信号；和

第二光谱单元，用于接收通过所述样品的光束并执行太赫兹(THz)光谱分析以产生荧光参数输出信号。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述THz光谱分析提供对不能通过红外光谱检测的弱分子内振动模式和弱分子间振动模式的选择性检测。

12.根据权利要求10所述的装置，其中所述THz光谱分析检测二维的THz吸收性质。

13.根据权利要求10所述的装置，其中所述THz光谱分析在二维尺度上多次扫描所述样品，每一次扫描都按样品的尺寸成比例缩放。

14.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个光谱单元进一步包括：

第一光谱单元，用于接收通过所述样品的所述光束并执行轨道角动量(OAM)光谱分析以产生OAM参数输出信号；

第二光谱单元，用于接收通过所述样品的所述光束并执行拉曼光谱分析以产生拉曼参数输出信号；

第三光谱单元，用于接收所述光束并执行偏振拉曼光谱分析和产生第三输出信号；

第四光谱单元，用于接收所述光束并执行非偏振拉曼光谱分析和产生第四输出信号；并且

其中所述第二光谱单元的所述拉曼光谱分析进一步检测所接收到的光束中的光学涡旋。

15.一种用于检测样品内的物质的方法，包括：

引导至少一个光束通过所述样品；

在多个光谱单元处接收通过所述样品的所述光束；

在所述多个光谱单元中的每一个光谱单元处，基于所接收到的光束，通过分析与所述样品有关的不同参数，对所述样品执行光谱分析；

在所述多个光谱单元中的每一个光谱单元处，提供与所述分析有关的单独的输出信号；和

检测与所提供的单独的输出信号中的每一个有关的所述样品中的物质。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述执行步骤进一步包括：

执行偏振波分析以产生偏振参数输出信号；

执行波长分析以产生波长参数输出信号；和

执行轨道角动量(OAM)光谱分析以产生OAM参数输出信号。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述执行步骤进一步包括：

执行拉曼光谱分析以产生拉曼参数输出信号；

执行红外光谱分析以产生红外参数输出信号；

执行轨道角动量(OAM)光谱分析以产生OAM参数输出信号；和

执行偏振波分析以产生偏振参数输出信号。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述执行步骤进一步包括：执行双光梳光谱分析以产生输出信号。

19.根据权利要求15所述的方法，其中所述执行步骤进一步包括：

执行拉曼旁带光谱分析以产生第一输出信号；

利用OAM镊子执行胶体粒子操作；并且

其中所述光束包括赋予OAM的光束。

20.根据权利要求15所述的方法，其中所述执行步骤进一步包括：

执行OAM光谱分析，其检测与布洛赫框架内的包络波函数相关联的非定域OAM；和

执行OAM光谱分析，其检测与样品内的原子相关联的本地OAM。

21.根据权利要求15所述的方法，其中所述执行步骤进一步包括：

执行偏振波分析以产生偏振参数输出信号；

执行轨道角动量(OAM)光谱分析以产生OAM参数输出信号；

进一步地，其中所述检测步骤进一步包括检测由所述偏振参数输出信号和所述OAM参数输出信号指示的所述样品内的所述物质的唯一特征。

22.根据权利要求15所述的方法，其中所述执行步骤进一步包括：

执行轨道角动量(OAM)光谱分析以产生OAM参数输出信号；和

执行荧光光谱分析，以检测所述样品内的发射光谱和激发光谱并产生荧光参数输出信号。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述执行荧光光谱分析的步骤进一步包括：

保持所述激发辐射在固定的波长处；和

测量作为发射波长的函数的发射荧光强度。

24.根据权利要求15所述的方法，其中所述执行步骤进一步包括：

执行轨道角动量(OAM)光谱分析以产生OAM参数输出信号；和

执行太赫兹(THz)光谱分析以产生荧光参数输出信号。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述执行THz光谱分析的步骤进一步包括：提供对不能通过红外光谱检测的弱分子内振动模式和弱分子间振动模式的选择性检测。

26.根据权利要求24所述的方法，其中所述执行THz光谱分析的步骤进一步包括：检测二维的THz吸收性质。

27.根据权利要求24所述的方法，其中所述执行THz光谱分析的步骤进一步包括：在二维尺度上多次扫描所述样品，每一次扫描都按所述样品的尺寸成比例缩放。

28.根据权利要求15所述的方法，其中所述执行步骤进一步包括：

执行轨道角动量(OAM)光谱分析以产生OAM参数输出信号；

执行拉曼光谱分析以产生拉曼参数输出信号并检测所接收到的光束内的光学涡旋；

执行偏振拉曼光谱分析并产生第三输出信号；

执行非偏振拉曼光谱分析并产生第四输出信号。

29.一种用于检测样品内的物质的装置，包括：

发光单元，用于引导至少一个光束通过所述样品；

第一光谱单元，用于接收通过所述样品的所述至少一个光束并执行轨道角动量(OAM)光谱分析以产生OAM参数输出信号；

至少一个第二光谱单元，用于接收通过所述样品的所述至少一个光束并基于所接收到的至少一个光束对所述样品执行光谱分析，所述至少一个光谱单元中的每一个分析除轨道角动量之外的参数并提供与所述分析有关的单独的输出信号；和

处理器，用于检测与所述OAM参数输出信号和所述提供的单独的输出信号中的每一个有关的所述物质。

30.一种用于检测样品内的物质的方法，包括：

引导至少一个光束通过所述样品；

在多个光谱单元处接收通过所述样品的所述光束；

执行轨道角动量(OAM)光谱分析；

响应于所述OAM光谱分析而产生OAM参数输出信号；

基于所接收到的至少一个光束对所述样品执行至少一个光谱分析，所述至少一个光谱分析中的每一个分析除轨道角动量之外的参数；

在所述多个光谱单元的每一个光谱单元处提供与所述光谱分析有关的单独的输出信号；和

检测与所提供的单独的输出信号中的每一个有关的所述样品中的物质。