KR102294013B1 - 궤도 각운동량을 이용한 샘플 농도 측정 - Google Patents

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Abstract

신호 발생 회로는 적용된 적어도 하나의 궤도 각운동량을 갖는 제1 신호를 생성하여 해당 신호를 샘플에 적용한다. 검출기는 샘플을 통과한 제1 신호를 수신하고, 샘플로부터 수신한 상기 신호에서 궤도 각운동량의 검출 값에 기반하여 샘플 내의 물질 농도를 결정한다.

Description

궤도 각운동량을 이용한 샘플 농도 측정{SAMPLE CONCENTRATION MEASUREMENTS USING ORBITAL ANGULAR MOMENTUM}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 “궤도 각운동량을 이용한 샘플 물질 내 농도 측정을 위한 시스템 및 방법”(대리인 문서 번호 NXGN-32196)으로 명명된 2014. 07. 24.자 미국 특허 출원번호 14/339,836의 PCT 출원으로, “광자의 궤도 각운동량을 이용한 농도 측정”(대리인 문서 번호 NXGN-32089)으로 명명되고 그것의 명세서 전체가 참조로서 여기에 통합된 2014. 03. 12.자 미국 가출원 번호 61/951,834의 우선권을 향유한다.
본 발명은 다양한 유기 및 비유기 물질의 농도 측정에, 더 상세하게 샘플 물질을 통과한 파동의 궤도 각운동량을 이용하여 유기 및 비유기 물질의 농도를 측정하는 것에 관련된다.
인체 조직의 유기와 비유기 물질의 농도 측정은 개인 건강에 있어 점점 더 중요한 부분이다. 인체 조직에서의 생물학적 및 대사 물질을 모니터링 하는 비침습성 측정 기술의 개발은 다양한 인간의 다양한 질병의 진단 치료의 중요한 부분이며, 질환의 적절한 관리에 중요한 역할을 할 수 있다.
인체 조직에서 모니터링할 수 있는 생물학 물질은 포도당이다. 포도당(C6H12O6)은 단당류의 당이고 가장 중요한 탄수화물의 영양원 중 하나이다. 포도당은 거의 모든 생물학적 과정의 기본이며, ATP 아데노신 삼인산과 다른 필수 세포 성분의 생산에 필요하다. 인간 혈액 내 포도당 농도의 정상 범위는 마지막 식사 시간, 신체적인 차이 및 기타 요인의 정도에 따라 70-160 ㎎/dl이다. 자유롭게 순환하는 포도당 분자는 췌장에서 인슐린의 분비를 자극한다. 인슐린은 보통 포도당을 통과시키지 않는 세포막 내의 2개의 특정 수용체에 결합하여 포도당 분자가 세포벽을 통과하도록 도와준다.
포도당 농도에 관련하여 이슈가 되는 하나의 질환은 당뇨병이다. 당뇨병은 인슐린의 감소로 인해 또는 인슐린을 이용하여 세포막을 가로 질러 포도당을 운반하는 능력의 저하에 의해 발생하는 질병이다. 그 결과, 잠재적으로 위험한 포도당의 높은 농도는 질환 중에 혈액(고혈당증)에 축적될 수 있다. 따라서 가능한 심각한 생리적인 합병증을 방지하기 위해 정상 범위의 혈중 포도당 농도를 유지하는 것은 매우 중요하다.
생리적인 포도당 모니터링의 중요한 역할은 당뇨병과 같은 여러 대사 질환의 진단 및 관리이다. 현재 포도당 모니터링을 위해 사용되는 침습성 및 비침습성 기술은 다수 존재한다. 기존의 비침습성 혈당 모니터링 기술의 문제는 임상적으로 허용되는 프로세스가 아직 결정되지 않은 것이다. 혈액 분석에서 표준 기술은 현재 손가락에서 채취한 혈액 샘플의 분석을 포함한다. 최근 수십 년간, 비침습성 혈당 모니터링은 생체의학 공학 분야의 점점 더 중요한 연구 주제가 되어오고 있다. 특히, 광학적 방법의 도입은 현장에서 일부 진전을 가져 왔다. 광학의 발전은 광학 이미징 기술과 비침습 이미징 시스템의 개발에 집중 관심으로 이어지고 있다. 단순하고 광학적 검출법의 낮은 위험으로 인해 암 진단 및 치료의 모니터링에 광학적 방법의 적용은 또한 성장 분야이다.
생체 조직에서 다른 조직 대사물질과 포도당을 모니터링 하기 위한 많은 광학 기술은 지난 50년 동안 발전되어 왔다. 이러한 방법은 형광법, 근적외선 및 중적외선 분광법, 라만 분광법, 광음향 분광법, 광간섭 단층 촬영 및 다른 기술을 기반으로 한다. 그러나 해당 시도된 기술은 모두 완전히 만족스러운 결과를 낳지 못했다.
광학을 이용하여 물질 농도를 검출하는 또 다른 유기 성분은 인간의 피부이다. 인간 피부의 방어 메커니즘은 카로티노이드, 비타민과 효소 등의 항산화 물질의 반응에 기반한다. 베타 카로틴과 리코펜은 인간 유기체의 카로테노이드의 70% 이상을 차지한다. 베타 카로틴과 리코펜의 국소 또는 전체적인 적용은 인체의 방어 시스템을 개선하기 위한 일반적인 전략이다. 이 치료의 평가 및 최적화는, 특히 환경에 대한 보호막으로 인간의 피부에서, 인체 조직에서의 베타 카로틴과 리코펜 농도의 측정을 필요로 한다.
따라서, 인체 또는 다른 타입의 샘플 내에서 다양한 물질의 농도 검출을 가능하게 하는 향상된 비침습성 기술은 의료 분야에서 많은 용도를 가질 것이다.
본 발명은, 본 명세서에서 개시되고 설명하는 바와 같이, 그것의 한 가지 측면에서, 샘플 내의 물질의 농도를 측정하기 위한 장치를 포함한다. 신호 발생 회로는 그것에 적용된 적어도 하나의 궤도 각운동량을 가지는 제1 신호를 생성하고, 해당 신호를 샘플에 적용한다. 제1 신호가 샘플을 통과한 후에 상기 제1 신호를 수신하는 검출기는 샘플로부터 수신한 해당 신호를 이용하여 궤도 각운동량의 검출 값에 따라 샘플 내 해당 물질의 농도를 결정한다.
더욱 완전한 이해를 위해, 첨부된 도면과 함께 이하의 설명이 참조된다.
도 1은 광빔 또는 다른 파동을 이용하여 샘플 내 특정 물질의 농도를 결정하기 위한 방법의 일반적인 표현을 도시한다.
도 2는 전달된 궤도 각운동량을 가지는 광빔을 도시한다.
도 3은 일련의 병렬 파면을 도시한다.
도 4는 파면의 전파 방향의 주위에 나선형 포인팅 벡터를 가지는 파면을 도시한다.
도 5는 평면 파면, 도 6은 나선형 파면을 도시한다.
도 7은 스핀 벡터에서 단지 변형을 가지는 평면파를 도시한다.
도 8은 파동에 고유 궤도 각운동량의 적용을 도시한다.
도 9A-9C는 적용된 다른 궤도 각운동량을 가지는 신호들 사이의 차이를 도시한다.
도 10은 다양한 고유 모드를 위한 포인팅 벡터의 전파를 도시한다.
도 11은 궤도 각운동량을 이용한 다양한 물질의 농도 측정을 위한 장치의 블록도를 도시한다.
도 12는 도 11 시스템의 방출기를 도시한다.
도 13은 도 11 시스템의 고정 궤도 각운동량 발생기를 도시한다.
도 14A-14D는 평면파 신호에 궤도 각운동량을 적용할 때 사용하기 위한 다양한 홀로그램을 도시한다.
도 15는 허미트-가우시안(Hermite-Gaussian) 모드와 라게르-가우시안(Laguerre-Gaussian) 모드의 관계를 도시한다.
도 16은 신호에 궤도 각운동량을 적용하기 위한 중첩 홀로그램을 도시한다.
도 17은 도 11 시스템 용도의 조정 가능한 궤도 각운동량 발생기를 도시한다.
도 18은 다수의 홀로그램 이미지를 포함한 조정 가능한 궤도 각운동량의 블록도를 도시한다.
도 19는 다른 궤도 각운동량을 적용함으로써 변화하는 OAM 발생기의 출력 방식을 도시한다.
도 20은 허미트-가우시안 광빔을 라게르-가우시안 광빔으로 변환하는 OAM 발생기의 대안을 도시한다.
도 21은 광빔을 비틀수 있는 OAM 발생기 내의 홀로그램의 방식을 도시한다.
도 22는 OAM 비틀림 파를 수신하여 특정 OAM 시그너처를 가지는 출력파를 제공하는 샘플의 방식을 도시한다.
도 23은 궤도 각운동량이 광축 주위의 분자와 상호 작용하는 방식을 도시한다.
도 24는 수신한 궤도 각운동량 신호를 증폭하기 위한 정합 회로의 블록도를 도시한다.
도 25는 고차 궤도 각운동량의 광빔을 생성하기 위해 비선형 결정체를 사용하는 정합 모듈의 방식을 도시한다.
도 26은 궤도 각운동량 검출기 및 사용자 인터페이스의 블록도를 도시한다.
도 27은 샘플을 통과하는 광빔의 스핀 각 편광 및 궤도 각 편광에 따른 샘플 농도의 효과를 도시한다.
도 28은 샘플을 통과하는 광빔의 궤도 각운동량의 편광을 바꾸는 과정을 더 구체적으로 도시한다.
도 29는 도 11 시스템의 사용자 인터페이스에 대한 블록도를 제공한다.
도 30은 도 11에 도시된 것과 같은 장치를 통해 수집된 데이터를 전달하기 위한 네트워크 구성을 도시한다.
도 31은 궤도 각 운동량을 이용하여 포도당의 농도를 측정하기 위한 장치의 보다 구체적인 실시 예의 블록도를 제공한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐 동일 요소를 지칭하기 위해 본 명세서에서 동일 참조 번호를 사용하는 도면을 참고하여, 궤도 각운동량을 사용하여 샘플 물질의 농도 측정을 위한 시스템 및 방법의 다양한 견해 및 실시 예가 도시 및 설명되고, 다른 가능한 실시 예가 설명된다. 도면은 반드시 일정한 축척으로 그려지지 않고, 일부의 예에서 도면은 단지 예시의 목적을 위한 경우에는 과장 및/또는 단순화되어 있다. 당업자는 가능한 실시 예 가운데 아래의 예시에 기반하여 여러 가지 응용 및 변형을 이해할 것이다.
도 1을 참고하여, 특정 물질의 샘플(102)의 농도는 샘플 물질(102)을 통해 전송된 광빔 또는 다른 파동에 적용된 궤도 각운동량을 이용하여 모니터링할 수 있는 방식의 일반적인 표현이 도시되어 있다. 샘플 물질(102)은 해당 물질의 길이를 통해 비친 광빔(104)을 가진다. 샘플 물질(102)을 통과한 후 해당 광빔(106)은 샘플 물질을 떠나고 해당 샘플(102) 내의 다양한 농도 특성을 결정하기 위해 분석될 수 있다. 해당 샘플 물질(102)의 다른 특성이 출사 광빔(106) 내에서 결정되는 방식은 샘플 물질(102)의 농도에 따라 출사 광빔(106)에 전달되는 궤도 각운동량 시그너처의 분석으로 이루어진다.
도 2를 참고하여, 해당 시스템 용도의 광빔의 실시 예가 도시되어 있다. 광빔(104)은 광자(202)의 스트림으로 구성된다. 각 광자는 에너지 ±ħω 및 파면에 수직인 축(204)의 광빔에 따라 배향된 선형 운동량 ±ħk를 가진다. 주파수에 의존하지 않는 광빔 내의 각 광자(202)는 광빔의 진행 방향에 평행 또는 역 평행하게 스핀 각운동량(206) ±ħ 을 가진다. 모든 광자(202) 스핀의 정렬은 원형 편광을 일으킨다. 원형 편광 이외에 광빔은 또한 원형 편광에 의존하지 않기 때문에 광자 스핀과 관련되지 않은 궤도 각운동량(208)을 가진다.
레이저는 정의된 주파수의 제어하기 쉬운 광빔 소스로 광학 실험에 널리 사용되고 있다. 레이저는 도 1에 설명된 것처럼, 광빔(104)을 제공하는 데 사용될 수 있다. 어떤 광빔(104)의 에너지 유동은 광빔 내의 전기장과 자기장의 벡터 곱으로 계산될 수 있는 포인팅 벡터로 주어진다. 진공 또는 등방성 물질에서 포인팅 벡터는 파수 벡터에 평행하고 광빔의 파면에 수직이다. 보통의 레이저 광은 파면(300)은 도 3의 도시처럼 평행하다. 광자의 파수 벡터와 선형 운동량은 z 방향(302) 축을 따라 향하게 된다. 그런 광빔의 필드 분포는 맥스웰의 파동 방정식에 근축 솔루션이지만, 비록 이러한 단순한 광빔이 가장 흔하지만 다른 가능성이 존재한다.
예를 들어, l 얽힌 나선형 파면을 가진 광빔은 또한 파동 방정식의 해이다. 이러한 복잡한 광빔의 구조를 시각화하는 것은 어렵지만, 그 형태가 l=3 푸실리 파스타에서 잘 알려져 있다. 가장 중요한 것은 파면은 도 4의 402에 도시된 것처럼 광빔의 진행 축 주위에 나선형으로 움직이는 포인팅 벡터 및 파동 벡터를 가지고 있다.
포인팅 벡터는 파면에 방위각 성분 및 광빔 단면에 걸쳐 적분 될 때 0이 아닌 합력을 가진다. 원형 편광의 스핀 각운동량은 같은 방식으로 해석될 수 있다. 비록 궤도 각운동량을 가지고 있지 않음에도 원형 편광 평면 파면을 갖는 광빔은 방사세기 경도에 비례하는 포인팅 벡터의 방위각 성분을 가지고 있다. 이것은 광빔의 단면에 적분하여 유한 값이 된다. 광빔이 직선 편광된 경우 포인팅 벡터의 방위각 성분은 없고, 따라서 스핀 각운동량은 없다.
따라서, 광빔(104) 내 각 광자(202)의 운동량은 방위각 성분을 가지고 있다. 운동량의 자세한 계산은 광빔의 모든 전기장과 자기장, 특히 광빔의 진행 방향에 있는 전기장과 자기장과 관련 있다. 광빔의 점에 대해 방위각 성분과 운동량의 z 성분의 비율이 l/kr이 된다. 광빔(104)의 각 광자(202)의 직선 운동량이 ħk로 주어지고, 반경 벡터 r의 방위각 성분의 외적을 구하면 광자(202) lħ를 위한 궤도 운동량을 얻는다. 파수 벡터의 방위각 성분은 l/r 이고 파장과는 무관하다는 점을 유의해야 한다.
도 5와 6을 참고하여, 평면 파면 및 나선 파면이 도시되어 있다. 일반적으로 평면 파면(502)을 가진 레이저 광빔은 허미트-가우시안 모드로 특징지어진다. 이 모드는 직각 대칭을 가지고 두 모드 지표 m(504) 및 n(506)에 의해 기술된다. x 방향으로 m 개의 노드가 y 방향으로 n 개의 노드가 있다. x 및 y 방향으로 함께 결합된 모드가 HGmn(508) 으로 표시된다. 대조적으로, 도 6과 같이 나선형의 파면(602)을 가진 광빔은 얽힌 나선(604)의 수 I(603), 방사 노드(606)의 수 p 지표로 기술된 라게르-가우시안 모드로 특징지어진다. 라게르-가우시안 모드는 LGmn(610)으로 표시된다. l ≠ 0인 경우, 광빔(104)의 위상 특이점은 축 강도에 0이 된다. 나선형의 파면을 갖는 광빔(104)은 또한 원형 편광되고, 각운동량은 궤도와 스핀 성분을 가지고 광빔의 전각 운동량은 광자당 (l ± ħ) 이다.
전송된 에너지 신호의 궤도 각운동량 상태를 사용하여 물리적 정보를 신호에 의해 송신된 전자파 방사선에 포함할 수 있다. 맥스웰-헤비 사이드 방정식으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016098130417-pct00001
Figure 112016098130417-pct00002
Figure 112016098130417-pct00003
Figure 112016098130417-pct00004
▽는 델 연산자, E는 전기장 강도이고, B는 자속 밀도이다. 이 식을 사용하여, 맥스웰의 원래 식에서 23개의 대칭/보존 양을 이끌어 낼 수 있다. 그러나 단지 10개의 잘 알려진 보존량이 있으며 이들 중 단지 몇 개만이 상업적으로 사용되고 있다. 역사적으로 원래의 4개의 형식으로 맥스웰 방정식이 유지된다면, 대칭/보존 양을 확인하기 더 쉬웠겠지만, 헤비사이드에 의해 현재의 벡터 형식으로 변경되어, 맥스웰 방정식의 그러한 고유의 대칭성을 확인하는 것이 더 어렵게 되었다.
보존량 및 전자기장은 시스템 에너지의 보존 및 시스템 선형 운동량의 보존에 따라 나타낼 수 있다. 시간 대칭, 즉 시스템 에너지의 보존은 포인팅의 정리를 사용하여 나타낼 수 있다.
Figure 112016098130417-pct00005
Figure 112016098130417-pct00006
공간 대칭, 즉 전자기 도플러 천이를 나타내는 시스템 선형 운동량 보존은 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112016098130417-pct00007
Figure 112016098130417-pct00008
에너지 시스템 중심의 보존은 다음 식으로 표현된다.
Figure 112016098130417-pct00009
마찬가지로, 방위 도플러 천이를 일으키는 시스템의 각 운동량의 보존은 다음 식으로 표현된다.
Figure 112016098130417-pct00010
자유 공간에서 방사광빔의 경우, 전자기장의 각운동량은 두 부분으로 나눌 수 있다.
Figure 112016098130417-pct00011
실수 표현에 있어 각 단일 푸리에 모드의 경우:
Figure 112016098130417-pct00012
첫 번째 부분은 전자기파의 스핀 각 운동량 Sem, 그것의 전통적인 발현은 파동의 편광이다. 그리고 두 번째 부분은 전자기파 궤도 각 운동량 Lem, 그 전통적인 발현은 파동 헬리시티다. 일반적으로 양쪽 전자기파 선형 운동량 Pem 및 전자기파 각운동량 Jem = Lem + Sem 은 원거리 장까지 방사된다.
포인팅 정리를 사용하여 신호의 광학 와도는 광학 속도 방정식에 따라 결정 될 수 있다.
Figure 112016098130417-pct00013
S는 포인팅 벡터이고,
Figure 112016098130417-pct00014
U는 에너지 밀도이다.
Figure 112016098130417-pct00015
E와 H는 각각 전계와 자계를 나타내고, ε 및 μ 0는 각각 매체의 유전율과 투과성이다. 광학 와도 V는 다음 방정식에 따라 광속의 회전에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112016098130417-pct00016
도 7과 8을 참고하여, 신호 및 신호와 관련된 포인팅 벡터가 단지 스핀 백터가 변경되는 평면파 상황(도 7)과 스핀 및 궤도 벡터가 포인팅 벡터가 진행 방향에 나선형으로 되도록 변경되는 상황(도 8)을 도시하고 있다.
도 7에 도시된 평면파 상황에서, 단지 평면파의 스핀 벡터가 변경될 때 전송된 신호는 3가지 구성 중 하나를 취할 수 있다. 스핀 벡터가 같은 방향 일 때, 일반적으로 704에 표시된 바와 같이 선형 신호가 제공된다. 704는 선형 신호를 제공하기 위해 x 방향으로만 변경되는 반면, 704와 유사하지만 해당 신호에 수직 방향으로 나타나는 선형 신호를 제공하기 위해 y 방향으로 변경될 수 있음에 유의해야 한다. 704에서 도시된 것과 같은 선형 편광에서 신호에 대한 벡터는 같은 방향이며 같은 크기를 가진다.
706에 도시된 것처럼 원형 편광에서 신호 벡터 712는 서로에 대해 90도이지만, 같은 크기를 가지고 있다. 이것은 도 7에서 신호가 706에 도시된 것처럼 진행하고 원형 편광(714)을 제공하도록 만든다. 타원 편광(708)에서 신호 벡터(716)는 역시 서로 90도이지만, 다른 크기를 가지고 있다. 이것은 신호 방향(408)에 대해 도시된 타원 편광(718)을 제공한다. 도 7A에 도시된 평면 파동에서 포인팅 벡터는 그 안에 도시된 다양한 신호 구성을 위해 일정한 방향으로 유지된다.
도 8의 상황은 고유의 궤도 각운동량이 신호에 적용된 경우를 도시한다. 이것이 발생하면 포인팅(poynting) 벡터 S(810)는 신호 전파(812)의 일반적인 방향 주위로 나선형을 그린다. 포인팅 벡터(810)는 신호 전파(612) 방향에 나선을 그리도록 변화하는 3개의 축 성분 Sφ, Sp 및 Sz 를 가진다. 본 명세서에서 더욱 충분히 기술되는 것처럼 신호가 동일한 파장 또는 주파수에 전송되도록 하기 위해, 포인팅 벡터(810)를 구성하는 다양한 벡터의 변화 값은 포인팅 벡터의 나선을 변화시킬 수 있다. 또한, 포인팅 벡터(410)로 표시되는 궤도 각운동량의 값은 농도 검색 메커니즘에 의해 처리되는 특정 물질과 관련된 농도를 결정하기 위해 측정될 수 있다.
도 9a-9c는 다른 헬리시티(즉, 거기에 적용된 궤도 각운동량)를 갖는 신호의 차이를 도시한다. 다른 헬리시티는 광빔이 통과되는 샘플 내의 물질 농도가 다른 것을 나타내는 것이다. 신호와 관련된 특정 궤도 각운동량 시그너처를 결정함으로써 해당 물질의 농도를 결정할 수 있다. 신호(902, 904 및 906)에 관련된 각각의 나선형 포인팅 벡터는 다른 형태의 신호를 제공한다. 신호(902)는 +1의 궤도 각운동량을 가지고, 신호(904)는 +3, 신호(906)는 -4의 궤도 각운동량을 가진다. 각 신호는 별개의 궤도 각운동량 및 해당 신호가 물질의 특정 농도를 지시하도록 만드는 연관된 포인팅 벡터를 가진다. 해당 농도는 검출된 궤도 각 운동량과 관련된다. 궤도 각운동량이 별도로 검출되고 샘플 물질을 통해 전송된 신호의 궤도 각운동량에 영향을 주는 특정 물질 농도의 유일한 지표를 제공하기 때문에, 물질의 다양한 타입의 농도에 대한 결정을 측정 신호에서 가능하게 한다.
도 10은 다양한 고유 모드에 대한 포인팅 벡터의 전파를 도시한다. 각각의 원(1020)은 다른 궤도 각운동량을 나타내는 상이한 고유 모드 또는 비틀림을 나타낸다. 각각의 다른 궤도 각운동량은 특정 물질의 특정 농도에 관련이 있다. 궤도 각운동량 감지는 장치에 의해 모니터링 되는 관련 물질 농도의 지표를 제공한다. 각각의 원(1020)은 모니터링 되는 선택된 물질의 다른 농도를 나타낸다. 각각의 고유 모드는 다른 물질 농도를 나타내는 원을 생성하기 위한 포인팅 벡터(1022)를 가진다.
도 11을 참고하여, 본 명세서에서 상술한 원리에 부합하는 장치에 의해 감지된 궤도 각운동량에 따른 다양한 물질의 농도 측정을 제공하기 위한 장치의 블록도가 도시된다. 방출기(1102)는 일련의 평면파를 구성하는 파동 에너지(1104)를 송신한다. 방출기(1102)는 도 3과 관련하여 앞서 설명한 것과 같은 일련의 평면파를 제공한다. 궤도 각운동량 발생 회로(1106)는 알려진 방식으로 파동(1108)에 적용된 궤도 각운동량을 가지는 일련의 파동을 발생시킨다. 아래에서 더욱 충분하게 설명되는 바와 같이, 궤도 각운동량 발생 회로(706)는 홀로그램 또는 궤도 각운동량 발생 처리의 다른 방식을 이용할 수 있다. 궤도 각운동량 트위스트 파동(708)은 시험중인 샘플 물질(1110)에 적용된다. 샘플 물질(1110)은 물질을 포함하고 물질의 농도는 본 명세서에 기재된 방법에 따라 농도 감지 장치를 통해 결정된다.
샘플 물질(710)을 통과한 일련의 출력 파동(1112)은 샘플 물질(710) 내에 시험 중인 특정 물질의 농도 결과로 거기에 전달되는 특정 궤도 각운동량을 가진다. 출력 파동(1112)은 시험 중인 특정 물질에 의해 생성된 특정 궤도 각운동량을 증폭시키기 위한 매핑 개구(애퍼처)를 포함한 정합 모듈(1114)에 적용된다. 해당 정합 모듈(1114)은 장치에 의해 감지되는 물질의 특정 농도에 관련된 궤도 각운동량을 증폭한다. 증폭된 OAM 파(1116)는 감지기(1118)에 제공된다. 감지기(1118)는 샘플 내 물질의 농도와 관련된 OAM 파를 감지하고 해당 농도 정보를 사용자 인터페이스(1120)에 제공한다. 사용자 인터페이스(1120)는 농도 정보를 해석하여 적절한 농도 지표를 개인 또는 기록 장치에 제공한다.
도 12를 참고하여, 좀 더 구체적으로는 도시한 방출기(1102)가 있다. 방출기 (1102)는 다수 타입의 에너지 파(1104)를 OAM 발생 모듈(1106)에 방출할 수 있다. 방출기(1102)는 광파(1200), 전자파(1202), 음파(1204) 또는 다른 타입의 입자파 (1206)를 방출할 수 있다. 방출된 파동(1104)은 도 7에서 도시된 것처럼 궤도 각운동량을 가지고 있지 않은 평면파이고 다양한 형태의 방출 장치에서 나와 그 안에 포함된 정보를 가지고 있을 수 있다. 실시 예에서, 방출 장치는 레이저를 포함할 수 있다. 평면파가 서로 평행하고 인가된 비틀림 또는 헬리시티가 없는 파면을 가지고, 파동의 궤도 각 운동량은 0과 같다. 평면파 내의 포인팅 벡터는 완전히 파동의 전파 방향과 일치한다.
OAM 발생 모듈(1106)은 유입되는 평면파(1104)를 처리하고 방출기(1102)로부터 제공된 평면파(1104) 위에 알려진 궤도 각운동량을 전한다. OAM 발생 모듈(1106)은 방출기(702)의 평면파에서 비틀린 또는 나선형 전자기, 광학, 음향 또는 다른 타입의 입자파를 생성한다. 나선형 파동(1108)은 파동의 전파 방향과 동조하지 않지만 도 5와 같이 전파 방향 주위에 행렬을 가지고 있다. 도 13과 같이 OAM 발생 모듈(1106)은 하나의 실시 예에서 고정 궤도 각운동량 발생기 1302를 포함할 수 있다. 고정 궤도 각운동량 발생기(1302)는 방출기(1102)에서 평면파(1104)를 수신하고 거기에 인가된 고정 궤도 각운동량을 가지는 출력파(1304)를 발생한다.
고정 궤도 각운동량 발생기(1302)는 하나의 실시 예에서 OAM 비틀림파(904)를 생성하기 위해 평면파(1104)에 고정 궤도 각운동량을 적용하기 위한 홀로그램 이미지를 포함할 수 있다. 원하는 궤도 각운동량 비틀림을 궤도 각운동량 발생기 (1102)에 적용되는 광 신호에 생성하기 위해, 다양한 타입의 홀로그램 이미지를 생성할 수 있다. 이러한 홀로그램 이미지의 다양한 예가 도 14a-14d에 도시된다. 하나의 실시 예에서, 궤도 각운동량 발생 회로(706)에 의해 방출기(1102)로부터 전송된 평면파 신호의 변환은 홀로그램 이미지를 사용하여 얻을 수 있다.
대부분의 상용 레이저는 평면 파면과 가우시안 함수에 의해 기술된 가로 강도를 가진 HG00 (허미트-가우시안) 모드를 방출한다. 비록 HG00 허미트-가우시안 모드를 라게르-가우시안 모드 1504로 성공적으로 변환하기 위한 다수의 다른 방법이 사용되지만, 가장 이해하기 간단한 것은 홀로그램을 사용하는 것이다.
라게르-가우시안 광빔을 설명하는 원통형 대칭 솔루션 u pl (r,φ,z) 이 다음 식으로 주어진다.
Figure 112016098130417-pct00017
zR은 레일리 범위이고, w(z)는 광빔 반경, LP는 라게르 다항식, C는 상수이고 광빔 허리는 z=0에 있다.
가장 단순한 형태는 원하는 광빔이 작은 각도로 기존의 레이저 광빔을 교차할 때 발생하는 계산된 간섭 패턴으로 컴퓨터에 의해 홀로그램은 생성하는 것이다. 계산된 패턴은 고해상도 홀로그램 필름에 옮겨진다. 현상된 홀로그램이 원래의 레이저 광빔에 위치할 때, 회절 패턴을 얻을 수 있다. 첫 번째 순서가 원하는 진폭 및 위상 분포를 가진다. 이것은 OAM 발생 모듈(1106)을 구현하기 위한 하나의 방법이다. OAM 발생 모듈 내에서 사용하기 위한 홀로그램 이미지의 다수의 예가 도 14a-14e에 도시된다.
홀로그램 디자인의 정교함에는 다양한 단계가 있다. 그레이 스케일 없이 단지 흑백 영역으로 구성된 홀로그램을 바이너리 홀로그램이라고 한다. 바이너리 홀로그램에서 두 간섭 광빔의 상대 강도는 아무런 역할을 하지 않고, 홀로그램의 전송은 0과 π 사이 계산된 위상차를 위해 0으로 설정되거나 π와 2π 사이 위상차를 위해 1로 설정된다. 비록 회절 격자에 의해 부분적으로 보완할 수 있지만, 바이너리 홀로그램의 한계는 매우 적은 입사력은 첫 번째 회절된 지점에서 끝나는 것이다. 모드 순도가 특히 중요한 경우에는, 패턴의 대비가 반경 함수로 변화하여 회절 광이 필요한 반경 프로파일을 갖도록 하는 더욱 정교한 홀로그램을 만들 수 있다.
홀로그램 이미지(1402)를 통해 비치는 평면파는 해당 홀로그램(1402)을 통과한 후 거기에 적용된 미리 정해진 궤도 각운동량의 변화를 가진다. 같은 이미지가 사용되고 홀로그램 이미지를 통과한 광빔이 적용된다는 점에서 OAM 발생기(1102)는 고정된다. 홀로그램 이미지(1402)가 변화하지 않기 때문에 동일한 궤도 각운동량은 항상 홀로그램 이미지(1402)를 통과한 광빔에 적용된다. 도 14a-14e는 OAM 내에 이용 가능한 다양한 홀로그램 이미지의 다수의 실시 예를 도시하지만, 이미지(1402)를 비추는 광빔 내에 원하는 궤도 각운동량을 달성하기 위해 다양한 홀로그램 이미지(1402)가 이용될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
도 16에 도시된 다른 홀로그램 이미지의 예에서, 다양한 궤도 각운동량 (l)을 생성하기 위해 함께 그리드에 배치된 두 개의 별도 홀로그램을 이용하는 홀로그램이 도시된다. 도 16의 중첩된 홀로그램은 l=1 및 l=3의 궤도 각운동량을 가지고 서로 중첩되어 복합 소용돌이 그리드(1602)를 구성한다. 이용된 홀로그램은 2개의 홀로그램이 함께 배치되어 다양한 궤도 각운동량 (l) 을 라인 상 (l= +1, l=0, l= -1)뿐만 아니라 더 쉽게 많은 변수를 식별 가능한 정사각형 상에 생성한다. 따라서 도 16에서 상부의 가장자리를 따라 궤도 각운동량은 +4, +1, -2까지, 하단의 가장자리에는 +2, -1, -4까지 변화한다. 마찬가지로 왼쪽을 따라 궤도 각운동량은 +4, +3, +2로, 오른쪽을 따라 -2, -3, -4까지 변화한다. 홀로그램의 수평 중심을 가로 질러 궤도 각운동량은 +3, 0, -3으로, 수직 축을 따라 +1, 0, -1로 변화한다. 따라서 광빔이 통과하는 그리드의 위치에 따라 다른 궤도 각운동량을 이룰 수 있다.
도 17을 참고하여, 고정된 궤도 각운동량 발생기뿐만 아니라 궤도 각운동량 발생 회로(1106)은 또한 조정 가능한 궤도 각운동량 발생 회로(1702)로 구성될 수 있다. 조정 가능한 궤도 각운동량 발생기(1702)는 입력 평면파(1104)를 수신하고 또한 하나 이상의 튜닝 파라미터(1704)를 수신한다. OAM 발생기(1702)의 출력인 조정된 OAM 파(1706)가 거기에 적용된 선택된 궤도 각운동량 값을 가지도록 하기 위해, 튜닝 파라미터(1704)는 조정 가능한 OAM 발생기(1702)를 선택된 궤도 각운동량으로 적용되도록 조정한다.
이것은 다른 방식으로 달성할 수 있다. 도 18에 도시된 하나의 실시 예에서, 조정 가능한 궤도 각운동량 발생기(1002)는 조정 가능한 OAM 발생기(1702) 내에 다수의 홀로그램 이미지(1802)를 포함할 수 있다. 선택 회로(1804)를 통해 원하는 OAM 비틀림파 출력 신호(1706)를 제공하기 위해 튜닝 파라미터(1704)는 홀로그램 이미지(1806) 중 하나를 선택 가능하게 한다. 대안으로, 도 16에 기술된 것과 같은 그리드 배치된 홀로그램 이미지가 사용되어 원하는 OAM 출력을 제공하기 위해 해당 이미지의 일부에 광빔을 비춘다. 조정 가능한 OAM 발생기(1702)는 제공된 입력 파라미터(1704)에 따라 특정 궤도 각운동량을 출력 OAM파(1706)에 제공하도록 제어된다는 장점을 가진다. 이것은 다양한 다른 물질의 농도를 모니터링 하거나, 대안으로 같은 물질의 다양한 다른 농도를 모니터링 하도록 한다.
도 18을 참고하여, 조정 가능한 OAM 발생기(1702)의 좀 더 구체적으로 구현된 블록도가 있다. 상기 발생기(1702)는 제공된 광 신호에 다양한 유형의 궤도 각운동량을 제공하는 다수의 홀로그램 이미지(1802)를 포함한다. 이러한 홀로그램 이미지(1802)는 입력된 튜닝 파라미터(1704)에 대응하는 선택 회로(1804)에 따라 선택된다. 선택된 필터(1806)는 선택 제어기(1804)에 따라 선택된 홀로그램 이미지로 구성되고 조정 가능한 OAM 파동 출력(1706)을 제공하기 위해 입력 평면파(1104)를 수신한다. 이런 방식으로, 원하는 궤도 각운동량을 가지는 신호는 OAM 발생 회로 (1106)의 출력일 수 있다.
도 19를 참고하여, OAM 발생기(1106)의 출력이 다른 궤도 각운동량을 적용하여 신호를 바꿀 수 있는 방법이 도시된다. 도 19는 포인팅 벡터가 더 이상 광빔 축에 평행하지 않고 그로 인해 적용된 궤도 각운동량을 가지는 나선형의 위상면을 도시한다. 광빔 내 모든 고정 반경에서 포인팅 벡터는 축 주위에 나선형의 궤적을 따른다. 행은 1로 표시되고, 궤도 각운동량 양자 수 L=lħ는 출력 신호의 광자당 궤도 각운동량이다. 각각의 l 에 대해, 왼쪽 열(1902)은 광빔의 순간 위상이다. 가운데 열(1904)은 각도 강도 프로파일을 포함하고 오른쪽 열(1906)은 그러한 광빔이 평면파를 간섭하고 나선 강도 패턴을 생성할 때 발생하는 것을 도시한다. 이것은 도 19의 다양한 행에서 -1, 0, 1, 2 및 3의 궤도 각운동량에 대해 도시한다.
도 20을 참고하여, OAM 발생기(1106)가 방출기에서 허미트-가우시안 광빔 출력을 모드 변환기(2004) 및 도브 프리즘(2010)을 사용하여 궤도 각운동량을 전하는 라게르-가우시안으로 변환할 수 있는 대체 방법이 도시된다. 허미트-가우시안 모드 평면파(2002)는 π/2 모드 변환기(2004)에 제공된다. π/2 모드 변환기(2004)는 라게르-가우시안 모드 광빔(2006)을 발생한다. 라게르-가우시안 모드 광빔(2006)은 π 모드 변환기(2008) 또는 도브 프리즘(2010)에 전달되어 해당 모드를 역 라게르-가우시안 모드 신호(2012)를 생성하는 모드로 반전시킨다.
도 21을 참고하여, OAM 발생기(1106) 내의 홀로그램이 비틀린 광빔을 생성하는 방법을 도시한다. 홀로그램(2102)은 광빔(2104) 및 나선형 파면과 광자당 lh 관련된 궤도 각 운동량을 가지는 광빔(2106)을 생성할 수 있다. 적절한 홀로그램 (2102)은 원하는 광빔 형태(2104, 2106) 및 평면파(2108) 사이의 간섭 패턴에서 계산 또는 생성될 수 있다. 홀로그램(2102)의 홀로그램 패턴은 회절 격자와 비슷하지만, 광빔 축에서 한 갈래 전위를 가진다. 홀로그램이 평면파(2108)로 비춰질 때 1차 회절 광빔(2104 및 2106)은 1차 회절 광빔 표시를 제공하는 원하는 나선형 파면을 가진다.
도 22를 참고하여, 샘플(1110)이 OAM 발생기에서 입력 OAM 비틀림파를 수신하여 샘플(1110) 내의 특정 모니터링되는 물질의 농도에 따라 연관되는 특정 OAM 출력 시그너처를 가지는 OAM파(1112)를 제공하는 방법을 더 구체적으로 도시한다. 샘플(1110)은 연구 중이고 고체, 액체, 또는 기체 형태의 모든 샘플을 포함할 수 있다. 본 명세서에 기술된 시스템을 이용하여 검출할 수 있는 샘플 물질(1110)은 여러 가지 재료를 포함할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 물질은 혈액, 물, 기름, 화학 물질과 같은 액체를 포함할 수 있다. C-H, C-O, C-P, C-S 또는 C-N 같은 탄소 결합된 다양한 타입이 검출을 위해 제공될 수 있다. 해당 시스템은 또한 단일 결합 (메탄 또는 이소옥탄), 이중 결합 물질 (부타디엔 및 벤젠), 또는 아세틸렌 등의 삼중 결합 탄소 물질과 같은 탄소 원자 사이의 다양한 결합 유형을 검출할 수 있다.
샘플(1110)은 탄수화물, 지질 (글리세롤 및 지방산), 핵산 (C, H, O, N, P) (RNA 및 DNA) 또는 아미노 NH2 및 카르복실 COOH 또는 트립토판, 티로신과 페닐알라닌 등의 아미노산과 같은 다양한 단백질을 포함한 유기 화합물 등의 검출 가능한 물질을 포함할 수 있다. 단량체, 이성체 또는 중합체와 같이 이러한 샘플 내 다양한 결합이 검출 가능하다. 샘플 내의 ATP와 ADP 등의 효소를 검출할 수 있다. 몸의 분비선에 의해 생성 또는 분비되는 물질이 샘플로 검출될 수 있다. 이들은 외분비샘에 의해 체내의 관을 통하거나, 혈액 샘플 또는 호르몬에 직접 방출되는 내분비샘을 통해 분비되는 물질을 포함한다. 샘플(1110) 내에서 발견된 분비물을 가지는 다양한 분비선은 시상하부, 뇌와 뇌하수체, 부갑상선과 갑상선 및 흉선, 부신 및 췌장 그리고 남성의 고환 또는 여성의 난소에서 분비되는 호르몬을 포함한다.
샘플(1110)은 또한 멜라닌 세포와 케라틴 세포와 같은 개체의 혈액 및 소변의 생화학적 표시의 다양한 유형을 검출하는 데 사용할 수 있다. 샘플(1110)은 그 안에 방어 물질을 검출하기 위해 신체의 다양한 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 피부에 관해서는, 샘플(1110)은 카로티노이드, 비타민, 효소, b-카로틴과 리코펜을 감지할 수 있다. 눈의 색소에 관해, 멜라닌/유멜라닌, 디히드록시인돌 또는 카르복실을 감지할 수 있다. 시스템은 또한 헤모글로빈, 미오글로빈, 시토크롬 및 프로토포르피린, Co-포르피린, 유로포르피린, 헤마토포르피린과 같은 포르피린 분자를 포함하는 샘플(1110)의 신체의 생합성 경로에서 다양한 유형의 물질을 검출할 수 있다. 샘플(1110)은 예를 들어, 프로피온산 균, 여드름 균처럼 검출되는 다양한 박테리아를 포함할 수 있다. 또한, 포피로모나스 진지발리스, 프레보텔라 인터미디아, 프레보텔라 니그레센스와 같은 치석 세균의 다양한 유형이 감지될 수 있다. 샘플(1110)은 혈액 샘플(1110) 내의 인슐린 중 포도당의 검출에 사용될 수 있다.
샘플(1110) 내에 제공된 광빔의 궤도 각운동량은 광빔에서 물질 분자의 회전에 의존하는 물질 분자로 전송된다. 나선형의 파면을 갖는 원형 편광의 레이저 광빔이 광빔 축 주위의 빛의 각도 고리에 분자를 포획할 때, 궤도 각운동량 및 스핀 각운동량의 전송을 모두 관찰할 수 있다. 이러한 포획은 고리의 강도 경도에 의한 기계적인 제약 없이 달성되는 광학 집게의 한 형태이다. 분자에 전달된 궤도 각운동량은 도 23의 2302에 도시된 것처럼 광빔 주위를 회전하게 만든다. 스핀 각운동량은 2304에 나타낸 바와 같이 분자가 자신의 축에 회전하도록 설정한다.
샘플(1110)에서 출력 OAM 파(1112)는 입력 OAM 파(1108)에 제공된 궤도 각운동량과 다른 궤도 각운동량을 가진다. 출력 OAM파(1112)의 차이는 샘플 내에 포함된 물질과 해당 물질의 농도에 의존한다. 다른 농도의 다른 물질은 그에 관련된 유일한 궤도 각운동량을 가지게 된다. 따라서 출력 OAM 파(1112)에 관련된 특정 궤도 각운동량 시그너처를 분석함으로써 샘플(1110) 내 존재하는 물질에 대한 결정이 이루어지고, 샘플의 이러한 물질 농도도 결정할 수 있다.
도 24를 참고하여, 정합 모듈(1114)은 샘플(1110)을 통과한 파동에 전달된 궤도 각운동량에 기반하여 특정 시그너처를 가지는 샘플(1110)에서 출력 궤도 각운동량 파동(1112)을 수신한다. 관심 있는 궤도 각운동량(2416)의 원하는 증폭된 파동을 제공하기 위해, 정합 모듈(1114)은 관심 있는 특정 궤도 각운동량을 증폭한다. 정합 모듈(1114)은 시험 중인 특정 물질 또는 특징과 관련된 궤도 각운동량의 감지를 증폭시키는 매칭 개구를 포함할 수 있다. 하나의 실시 예에서, 관심 있는 궤도 각운동량 파동의 증폭을 위해 정합 모듈(1114)은 도 14a-14d에 설명한 바와 같이, 홀로그램 필터를 포함할 수 있다. 정합 모듈(1114)은 시스템에 의해 탐지하려고 하는 특정 관심 물질에 기반하여 만들어진다. 정합 모듈(1114)은 도 14a-14d와 같이 홀로그램을 사용하여 고정된 모듈 또는 OAM 발생 모듈(1106)에 관해서 설명한 것과 유사한 방식으로 조정 가능한 모듈로 구성될 수 있다. 이 경우에 다수의 다른 궤도 각운동량은 샘플(1110) 내의 다른 물질 또는 다른 물질 농도를 감지하기 위해 정합 모듈(1114)에 의해 증폭될 수 있다. 정합 모듈(1114)을 위한 구성 요소의 다른 예는 샘플(1110)에서 수신된 파동 내의 원하는 궤도 각운동량을 증폭하기 위해 양자점, 나노 물질, 또는 메타 물질의 사용을 포함한다.
도 25를 참고하여, 원하는 궤도 각운동량 신호를 증폭하기 위해 홀로그램 이미지를 이용하는 것보다 정합 모듈(1114)은 더 높은 궤도 각운동량의 광빔을 생성하기 위해 비선형 결정을 사용할 수 있다. 비선형 결정(2502)을 사용하여 첫 번째 고조파의 궤도 각운동량 광빔(2504)은 비선형 결정(2502)에 적용될 수 있다. 상기 비선형 결정(2502)은 2 차 고조파 신호(2506)을 만든다.
도 26을 참고하여, 검출기(1118)가 바라는 OAM 측정값(2602)을 추출하기 위해 정합 회로(1114)에서 증폭된 궤도 각운동량 파동(1116)을 이용하는 더 구체적인 검출기(1118)가 도시된다. 검출기(1118)는 증폭된 OAM파(1116)를 수신하여 샘플 (1110) 내에 시험 중인 특정 물질의 농도로 인해 방출된 파동의 궤도 각운동량의 관찰 가능한 변화를 감지하고 측정한다. 검출기(1118)는 샘플(1110)에 적용되는 입력 OAM파(1108) 상태에서 방출된 증폭 OAM파(1116) 내의 관찰 가능한 변화를 측정할 수 있다. 추출된 OAM 측정값(2602)은 사용자 인터페이스(1120)에 적용된다. 검출기(1118)가 궤도 각운동량 내의 차이를 감지하는 방식이 도 27-29에 보다 구체적으로 도시된다.
도 27은 샘플(2702)을 통과하는 광빔의 통과에 의한 스핀 각 편광과 궤도 각 편광 사이의 부하의 차이를 도시한다. 샘플(2702a)에서, 해당 샘플(2702a)에 통과하는 광빔에 대한 응답으로 스핀 각 편광이 변경되는 방식을 도시한다. 샘플(2702a)를 통과하는 특정 스핀 각운동량(2704)을 가진 파동의 편광은 2704에서 새로운 위치 2706으로 회전한다. 회전은 편광의 동일 평면에서 이루어진다. 같은 방식으로 샘플(2702b)에 도시한 것처럼, 샘플(2702b)을 통과하기 전에 이미지는 도시한 것과 같이 2708에 일반적으로 표시된다. 샘플(2702b)을 통과함으로써 해당 이미지는 도시된 2710에서 2712에 회전한다. 회전의 정도는 샘플(2702) 내에서 검출되는 물질의 농도 수준에 의존하고 있다. 따라서, 도 27의 샘플(2702)에 보이는 것처럼 스핀 각 편광과 궤도 각운동량이 샘플(2702) 내의 물질 농도에 따라 바뀐다. 궤도 각운동량의 변화에 따른 이미지의 회전 정도를 측정함으로써 특정 물질의 농도가 결정된다.
이 모든 과정은 보다 상세하게 도 28에 도시된다. 광원(2802)이 확대 광학계 (2804)를 통해 광빔을 비춘다. 확대 광빔은 궤도 각운동량을 광빔에 부여하는 홀로그램(2806)을 생성하는 실험 장치에 전달된다. 홀로그램(2806)에서 비틀림 광빔은 특정 길이 L을 갖는 샘플(2808)을 통해 비친다. 이것은 관련된 다양한 궤도 각 운동량(2810)을 가지는 다수의 검출 가능한 파동을 생성하는 샘플(2808)의 출력 측에 비틀림 광빔을 발생시킨다. 샘플(2808)에 적용되는 광빔과 관련한 이미지(2812)는 샘플(2808) 내의 물질 농도에 따라 각도 φ로 회전한다. 이미지(2812)의 회전 φ는 각각의 궤도 각운동량 값 -l 또는 +l에 따라 다르다. 이미지의 회전 변화 Δφ는 다음 식으로 작성할 수 있다.
Δφ = φl - φ-l = f (l,L,C)
l 은 궤도 각운동량, L은 샘플의 경로 길이이며, C는 감지되는 물질의 농도이다.
따라서, 샘플 L의 길이를 알고 궤도 각운동량은 본 명세서에 기재된 방법을 이용하여 결정할 수 있기 때문에, 이러한 두 가지 정보는 제공된 샘플 내 물질 농도를 계산할 수 있다.
위 식은 도 29에 더욱 상세하게 도시된 사용자 인터페이스 내에 사용될 수 있다. 사용자 인터페이스(1120)는 사용자 디스플레이의 일부 유형으로 볼 수 있는 농도 정보(2904)의 생성을 제공하는 내부 알고리즘(2902)을 사용하여 OAM 측정값 (2502)를 처리한다. 하나의 실시 예에서, 알고리즘은 샘플의 길이와 궤도 각운동량의 검출 변화에 따라 농도를 결정하기 위해, 본 명세서에 상술한 수식을 이용한다. 농도를 계산하는 과정은 해당 정보가 무선으로 실험실에 전송되거나 계량 장치에 연결된 웨어러블 디바이스 또는 로컬 또는 광역 네트워크를 통해 개인 또는 공용 클라우드에 연결된 휴대 전화 상에서 실행되는 프로그램과 연관된 사용자 인터페이스를 갖춘 실험실 환경에서 가능하다. 해당 디바이스의 사용자 인터페이스(2920)는 블루투스, 지그비 또는 다른 무선 프로토콜을 이용하여 유선 또는 무선 연결할 수 있다.
도 30을 참고하여, 본 명세서에서 상술한 방식으로 수집하여 사용자 인터페이스(1120) 내에 축적된 각종 데이터가 저장되고 높은 수준의 분석을 위해 사용될 수 있는 방법이 도시된다. 본 명세서에서 상술한 바와 같이 데이터를 수집하기 위한 다양한 장치(3002)는 개인 클라우드(3004) 또는 공용 클라우드(3006)와 통신할 수 있다. 개인 클라우드(3004)와 통신하는 경우, 장치(3002)는 단순히 사용자 장치와 연관된 사용자의 분석에 사용하기 위한 특정 사용자 장치와 관련된 정보를 저장한다. 따라서 개별 사용자가 자신의 당뇨병을 모니터링하고 유지하기 위해 그들의 현재 포도당 농도에 관한 정보를 모니터링하고 저장할 수 있다.
대안으로 해당 정보가 공용 클라우드(3006) 내의 여러 장치(3002)에서 처리될 때, 해당 정보는 개별 장치(3002)에서 또는 관련 네트워크 장치(3002)의 개인 클라우드(3004)를 통해 공용 클라우드(3006)에 직접 제공될 수 있다. 공용 클라우드(3006)에서 해당 정보를 이용하기 위해, 개별 장치(3002)의 각각에서 처리되는 정보와 관련한 다양한 건강 관련 문제의 대규모 분석을 가능하게 하는 공용 클라우드(3006)에 연결된 서버(3008)에 대규모 데이터베이스가 구축될 수 있다.
따라서, 사용자 인터페이스(1120)는 농도 정보(2904)를 결정하기 위한 알고리즘(2902)를 포함할 뿐만 아니라, 도 30에 기술된 것처럼 수집된 정보가 공용 또는 개인 클라우드를 통해 무선 전송 가능하게 하는 무선 인터페이스(2906)를 포함한다. 대안으로, 사용자 인터페이스는 원격지에 무선 전송되는 대신 수집한 정보를 로컬에 저장 가능하게 하는 데이터베이스(2908)를 포함할 수 있다.
도 31을 참고하여, 포도당 샘플을 통해 비친 광빔의 광자 궤도 각운동량을 이용하여 포도당 농도를 측정하기 위한 특정 장치의 블록도의 특정 예가 도시된다. 해당 프로세스는 도 25에 설명했듯이, 비선형 결정을 이용한 나선형 광빔의 이차 고조파를 생성한다. 방출 모듈(2402)은 OAM 발생 모듈(3104)에 제공되는 평면 전자기파를 생성한다. OAM 발생 모듈(3104)은 전자기 소용돌이를 가진 파동을 생성하는 홀로그램을 이용하여 궤도 각운동량을 가지는 파동을 생성한다. OAM 비틀림 파는 혈액 샘플에서 포도당 농도를 검출하기 위해 시험 중인 샘플(3106)에 적용된다. 회전된 시그너처는 도 27-28에 앞서 설명한 바와 같이 샘플(3106)을 빠져나와 정합 모듈(3108)에 제공된다. 정합 모듈(3108)은 궤도 각운동량을 증폭하여 관찰된 농도가 포도당의 궤도 각운동량에서 계산된다. 이러한 증폭 신호는 광빔의 반경 w(z) 또는 광빔을 통해 샘플에 제공되는 이미지의 회전을 측정하는 검출 모듈(3110)에 제공된다. 해당 검출된 정보는 샘플에 대한 농도 정보를 표시하기 위한 판독 장치 또는 사용자의 휴대 전화에 물질을 제공 가능하기 위해 유선 또는 무선 블루투스 또는 지그비 연결된 센서 인터페이스를 포함하는 사용자 인터페이스에 제공된다.
이와 같이, 본 명세서에서 설명하는 것과 같이 다양한 물질 타입의 농도는 시험 중인 샘플의 궤도 각운동량을 이용하여 결정될 수 있고 샘플 내의 이런 물질의 감지 또는 그들의 농도는 설명된 바와 같이 알아낼 수 있다.
궤도 각운동량을 이용하여 샘플 내 농도 측정을 위한 시스템 및 방법은 물질 농도를 검출하기 위한 비침습성 방법을 제공하는 본 발명의 이익은 당업자에 의해 이해될 것이다. 본 명세서의 도면 및 상세한 설명은 한정적인 방식이 아니라 예시로 간주되고 공개된 특정 형태 및 예시에 국한되지 않는다. 한편, 다음의 특허 청구 범위에 의해 정의되는 것과 같이, 당업자에게 명백한 임의의 추가 수정, 변경, 재배치, 대체, 대안, 디자인 선택 및 실시 예는 본 명세서의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 포함된다. 따라서 다음의 특허 청구 범위는 이러한 모든 추가 수정, 변경, 재배치, 대체, 대안, 디자인 선택 및 실시 예를 포함하도록 해석되는 것이 의도된다.

Claims (31)

  1. 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치에 있어서, 상기 장치는:
    적어도 하나의 궤도 각운동량을 가지는 제1 신호를 생성하여 상기 제1 신호를 상기 샘플에 적용하는 신호 발생 회로; 및
    상기 제1 신호가 상기 샘플을 통과한 후에 상기 제1 신호를 수신하고, 상기 샘플로부터 수신된 상기 제1 신호와 궤도 각운동량의 검출 값에 기초하여 샘플 내 물질의 농도를 결정하는 검출기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 발생 회로는:
    복수의 평면파를 포함하는 상기 제1 신호를 방출하는 방출 소스; 및
    상기 제1 신호를 수신하고, 상기 제1 신호의 평면파에 적어도 하나의 궤도 각운동량을 적용하는 궤도 각운동량 발생 회로;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 궤도 각운동량 발생 회로는 고정된 궤도 각운동량을 상기 제1 신호에 적용하는 고정된 궤도 각운동량 발생 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 궤도 각운동량 발생 회로는 적어도 하나의 궤도 각운동량을 상기 제1 신호의 평면파에 적용하는 홀로그램을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 홀로그램은 복합 소용돌이 그리드를 포함하는 한 쌍의 중첩된 홀로그램을 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 궤도 각운동량 발생 회로는 조정 가능한 궤도 각운동량 발생 회로에 제공된 적어도 하나의 튜닝 파라미터에 따라 선택된 궤도 각운동량을 상기 제1 신호에 적용하는 상기 조정 가능한 궤도 각운동량 발생 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 궤도 각운동량 발생 회로는:
    상기 제1 신호를 허미트-가우시안 모드로부터 라게르-가우시안 모드로 변환시키는 적어도 하나의 pi/2 모드 변환기; 및
    상기 라게르-가우시안 모드의 제1 신호를 역라게르-가우시안 모드로 변환시키는 변환기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 신호가 샘플을 통과한 후에 상기 제1 신호를 수신하고, 상기 제1 신호와 연관된 궤도 각운동량의 검출 값을 가지는 상기 제1 신호의 제1 부분을 증폭시키는 증폭 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 증폭 회로는 샘플 내 물질 농도와 연관된 궤도 각운동량을 증폭시키는 홀로그램을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출기는:
    샘플로부터의 제1 신호내의 궤도 각운동량의 검출 값을 결정하는 궤도 각운동량 검출기; 및
    상기 궤도 각운동량의 검출 값에 따라 상기 샘플내에서 물질의 농도를 결정하는 프로세서;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 프로세서와 연관된 사용자 인터페이스를 더 포함하고, 상기 프로세서는:
    상기 프로세서가 궤도 각운동량의 검출 값에 따라 샘플 내 물질의 농도를 결정하도록 구성되는 컴퓨터 명령어 집합; 및
    상기 프로세서에 의해 결정된 상기 농도로부터 농도 데이터를 저장하는 데이터베이스;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스는 상기 농도 데이터를 원격지에 전달하는 무선 인터페이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 농도의 다른 값이 샘플 내 물질의 다른 농도를 나타내는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 신호는 광빔을 포함하는 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  15. 샘플 내 물질의 농도를 측정하기 위한 장치로서, 상기 장치는:
    복수의 평면파를 포함하는 제1 광빔을 방출하는 방출 소스;
    상기 제1 광빔을 수신하고, 적어도 하나의 궤도 각운동량을 상기 제1 광빔의 복수의 평면파에 적용하는 궤도 각운동량 발생 회로;
    상기 제1 광빔이 샘플을 통과한 후 상기 제1 광빔을 수신하고, 상기 제1 광빔과 연관된 궤도 각운동량의 미리 정해진 값을 가지는 상기 제1 광빔의 제1 부분을 증폭하는 증폭 회로;
    상기 제1 광빔이 샘플을 통과한 후, 상기 제1 광빔을 수신하고, 상기 제1 광빔과 관련된 궤도 각운동량의 미리 정해진 값을 가지는 광빔의 증폭된 부분 내의 궤도 각운동량 검출 값에 기초하여 샘플 내 물질의 농도를 결정하는 검출기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하기 위한 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 궤도 각운동량 발생 회로는 고정 궤도 각운동량을 상기 제1 광빔에 적용하는 고정 궤도 각운동량 발생 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하기 위한 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 궤도 각운동량 발생 회로는 적어도 하나의 궤도 각운동량을 상기 제1 광빔의 복수의 평면파에 적용하기 위한 홀로그램을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하기 위한 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 홀로그램은 복합 소용돌이 그리드를 구성하는 한 쌍의 중첩된 홀로그램을 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하기 위한 장치.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 궤도 각운동량 발생 회로는 조정 가능한 궤도 각운동량 발생 회로에 제공된 적어도 하나의 튜닝 파라미터에 따라 선택된 궤도 각운동량을 상기 제1 광빔에 적용하는 상기 조정 가능한 궤도 각운동량 발생 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 궤도 각운동량 발생 회로는:
    상기 제1 광빔을 허미트-가우시안 모드로부터 라게르-가우시안 모드로 변환하기 위한 적어도 하나의 pi/2 모드 변환기; 및
    상기 라게르-가우시안 모드의 상기 제1 광빔을 역라게르-가우시안 모드로 변환하기 위한 변환기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  21. 제 15 항에 있어서,
    궤도 각운동량의 검출 값에 따라 샘플 내의 물질의 농도를 결정하는 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 프로세서와 연관된 사용자 인터페이스를 더 포함하고, 상기 프로세서는:
    상기 프로세서가 궤도 각운동량의 검출 값에 따라 샘플 내 물질의 농도를 결정하도록 구성되는 컴퓨터 명령어 집합; 및
    상기 프로세서에 의해 결정된 농도로부터 농도 데이터를 저장하는 데이터베이스;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스는 농도 데이터를 원격지에 전달하는 무선 인터페이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  24. 제 15 항에 있어서,
    상기 농도의 다른 값이 샘플 내 물질의 다른 농도를 나타내는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 장치.
  25. 샘플 내 물질의 농도를 측정하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
    적용된 적어도 하나의 궤도 각운동량을 가지는 제1 신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 신호를 샘플에 적용하는 단계;
    상기 제1 신호가 샘플을 통과한 후 상기 제1 신호를 수신하는 단계;
    상기 수신된 제1 신호내의 궤도 각운동량 값을 검출하는 단계; 및
    상기 샘플로부터 수신된 상기 제1 신호 내의 궤도 각운동량의 검출 값에 기초하여 샘플 내의 물질의 농도를 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하기 위한 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제1 신호를 생성하는 단계는:
    복수의 평면파를 포함하는 상기 제1 신호를 방출하는 단계;
    상기 제1 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 제1 신호의 평면파에 적어도 하나의 궤도 각운동량을 적용하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하기 위한 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 제1 신호를 샘플에 적용하는 단계는 고정된 궤도 각운동량을 상기 제1 신호에 적용하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 방법.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 제1 신호를 샘플에 적용하는 단계는 조정 가능한 궤도 각운동량 발생 회로에 제공된 적어도 하나의 튜닝 파라미터에 따라 선택된 궤도 각운동량을 상기 제1 신호에 적용하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 방법.
  29. 제 25 항에 있어서,
    상기 제1 신호가 상기 샘플을 통과한 후에 상기 제1 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 제1 신호와 연관된 궤도 각운동량의 검출 값을 가지는 제1 신호의 제1 부분을 증폭하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 방법.
  30. 제 25 항에 있어서,
    결정된 상기 농도로부터 농도 데이터를 저장하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 농도 데이터를 원격지로 전달하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 내 물질의 농도를 측정하는 방법.
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