DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-024-01562-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39187516
تاريخ النشر: 2024-08-26
المؤلف: Igor Meglinski وآخرون
الموضوع الرئيسي: الزخم الزاوي المداري في البصريات
نظرة عامة
لقد عززت التقدمات الأخيرة في تقنيات تشكيل واجهة الموجة التحقيق في الضوء المعقد الهيكلي، وخاصة تلك التي تحمل الزخم الزاوي المداري (OAM)، أثناء انتشارها عبر وسائط مختلفة. من خلال تطبيق تعديل الطور الحلزوني على أشعة لاغير-غاوسي (LG)، استغل الباحثون التدرج السلبي لتغير معامل الانكسار للوسط مع مرور الوقت، مما أدى إلى زيادة كبيرة في معدل التواء الطور. يُلاحظ هذا الظاهرة كإبطاء للطور الخاص بـ OAM، مما يظهر حساسية ملحوظة للتغيرات الدقيقة في معامل الانكسار، حوالي \(10^{-6}\).
علاوة على ذلك، تكشف الدراسة عن ذاكرة الطور لـ OAM، مما يسمح للضوء الملتوي بالحفاظ على طوره الحلزوني الأولي حتى عند عبوره عبر وسائط معتمة تشبه الأنسجة والتي تتميز بالتشتت المتعدد. تفتح هذه النتائج آفاقًا مثيرة لتطبيق ضوء OAM في المجالات الطبية الحيوية، بما في ذلك مراقبة الجلوكوز غير الغازية عبر الجلد والاتصالات البصرية عبر الأنسجة البيولوجية وغيرها من البيئات الكثيفة بصريًا.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الأهمية المتزايدة للضوء المشكل مع الزخم الزاوي المداري (OAM) في مجالات علمية متنوعة، بما في ذلك الفيزياء الفلكية، وعلوم المواد، والطب الحيوي. بينما يتمتع استخدام الضوء المستقطب بتاريخ طويل، فإن الدمج الأخير لضوء OAM يقدم فرصًا جديدة لكل من الاستكشاف الأساسي والتطبيقات العملية. تشير الورقة إلى أن ضوء OAM قد حصل على اعتراف لدوره في توليد أشعة ليزر متجهة غريبة، وتعزيز الاتصالات، وتسهيل حبس الخلايا والميكرو-جزيئات. على الرغم من التحديات التقنية، يتم وضع ضوء OAM كحدود واعدة في الاستشعار البصري، خاصة للتطبيقات الطبية الحيوية مثل تشخيص الأنسجة والتصوير.
تهدف الدراسة إلى التحقيق في تأثيرات التشتت والامتصاص على خصائص نقل ضوء OAM عبر الأنسجة البيولوجية، مع التركيز على العلاقة بين الشحنة الطوبولوجية لضوء OAM ونفاذية الأنسجة. تسعى لتوضيح المزايا المميزة لضوء OAM في التطبيقات الاستكشافية مقارنة باستخدامه في الاتصالات، حيث يكون التركيز على نقل البيانات. تؤكد الورقة على مرونة ضوء OAM تجاه تشوه الطور، مما يسمح له بالحفاظ على شحنته الطوبولوجية أثناء الانتشار، مما يجعله أداة قيمة للتشخيصات غير الغازية وتوصيف المواد. من خلال تحليل التغيرات في واجهة الموجة الحلزونية لأشعة لاغير-غاوسي (LG) في وسائط تشبه الأنسجة، تهدف الأبحاث إلى توضيح القدرة التنبؤية لضوء OAM، وبالتالي المساهمة في التقدم في العلوم البصرية والتطبيقات الطبية الحيوية.
طرق
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، ومعدات، وعينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات لجمع البيانات، بما في ذلك تقنيات أخذ العينات، ومعايير القياس، والأساليب التحليلية المطبقة لتقييم النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم التحليلات الإحصائية التي تم إجراؤها لتفسير البيانات، مع تحديد أي برامج أو أدوات تم استخدامها. تضمن الدقة في الطرق أن تكون النتائج موثوقة ويمكن التحقق منها من قبل باحثين آخرين في هذا المجال. بشكل عام، يعمل هذا القسم كأساس حاسم لفهم الإطار التجريبي وصحة الاستنتاجات المستخلصة من الدراسة.
نتائج
في هذا القسم، تحقق الأبحاث في خصائص انتشار أشعة لاغير-غاوسي (LG) عبر وسائط شفافة، مع التركيز على قدرتها على الحفاظ على هيكل حلزوني والزخم الزاوي المداري (OAM) المرتبط. تسلط الدراسة الضوء على أن أشعة LG القياسية، وخاصة LG$_{30}$ و LG$_{50}$، تحافظ على تركيبها الطوري بينما تشهد زيادة ملحوظة في معدل التواء الطور بسبب التشتت المكاني لمسارات الفوتونات. يتأثر هذا الالتواء بتدرج معامل الانكسار للوسط، مما يؤدي إلى تغييرات كبيرة في توزيع الطور المكاني العرضي لشعاع LG، حتى مع تغييرات طفيفة في معامل الانكسار (Δn = 10$^{-6}$). تتماشى النتائج التجريبية بشكل وثيق مع التوقعات النظرية، مما يظهر حساسية ضوء OAM لتغيرات معامل الانكسار، والتي قد يكون لها آثار على التطبيقات الطبية الحيوية، مثل التشخيصات غير الغازية.
تستكشف الأبحاث أيضًا تأثيرات التشتت في الوسائط المعتمة على انتشار شعاع LG. في البيئات ذات التشتت المنخفض، يحتفظ شعاع LG بحالة OAM الخاصة به وهيكله الحلزوني، بينما في سيناريوهات التشتت المتعدد، يصبح ملف كثافة الشعاع متشتتًا، ويتم تعطيل واجهة الطور الحلزوني، مما يؤدي إلى أنماط بقع معقدة. على الرغم من هذه الاضطرابات، يحتفظ نمط بقع الطور بتعديل الطور الأولي، مما يشير إلى شكل من أشكال الذاكرة لـ OAM في ظروف التشتت المتعدد. تؤكد هذه الدراسة على إمكانيات تقنيات OAM للتطبيقات الحساسة للكشف، خاصة في مراقبة التغيرات الفسيولوجية في الأنسجة البيولوجية.
مناقشة
في هذا القسم من المناقشة، تبرز الأبحاث الحفاظ على الهيكل الحلزوني لمرحلة أشعة لاغير-غاوسي (LG) أثناء انتشارها عبر الوسائط المتشتتة، والذي يُعزى إلى التناظر الدوراني لمسارات الفوتونات. على الرغم من التشوهات الطورية الكبيرة الناتجة عن التشتت، يتم الحفاظ على الزخم الزاوي المداري (OAM) العام لشعاع LG، خاصة داخل المنطقة المحورية الحلقية، كما يتضح من الديناميات الطورية الملاحظة في أنماط البقع. تؤكد الدراسة على أنه بينما تكون ذاكرة الطور لـ OAM بارزة في البيئات ذات التشتت العالي (عمق بصري بلا أبعاد $d/l^* \sim 10$)، فإنها أقل وضوحًا في المناطق المركزية والخارجية للشعاع، مما يشير إلى تباين مكاني في الحفاظ على الطور.
تستكشف الأبحاث أيضًا تأثير التشتت على حالات الاستقطاب، كاشفة أن تشويش الاستقطاب يحدث على مقاييس مختلفة، مما يؤدي إلى توزيع فوضوي لحالات الاستقطاب في الوسائط ذات التشتت العالي. يتم تعريف درجة الاستقطاب بشكل كمي، وتشير النتائج إلى أن الحفاظ على OAM مرتبط بالتوطين الأسي لقنوات النقل الذاتية، التي تتماشى مع أقصر المسارات البصرية. تؤكد الدراسة على إمكانيات ضوء OAM في استكشاف الأنسجة البيولوجية، خاصة في التشخيصات غير الغازية، من خلال الاستفادة من حساسيته لتغيرات معامل الانكسار وقوته الطوبولوجية. تدعو النتائج إلى تطبيق OAM في التشخيصات الطبية، مع التأكيد على قدرته على اكتشاف التغيرات الفسيولوجية الدقيقة التي تشير إلى الأمراض، مما يمهد الطريق للتقدمات المبتكرة في الاستشعار البصري والتصوير ضمن السياقات الطبية الحيوية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-024-01562-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39187516
Publication Date: 2024-08-26
Author(s): Igor Meglinski et al.
Primary Topic: Orbital Angular Momentum in Optics
Overview
Recent advancements in wavefront shaping techniques have enhanced the investigation of complex structured light, particularly those carrying orbital angular momentum (OAM), as they propagate through various media. By applying spiral phase modulation to Laguerre-Gaussian (LG) beams, researchers have leveraged the negative gradient of the medium’s refractive index change over time, resulting in a significant increase in the phase twist rate. This phenomenon is observed as phase retardation of the OAM, demonstrating remarkable sensitivity to minute variations in the refractive index, approximately \(10^{-6}\).
Furthermore, the study reveals the phase memory of OAM, which allows twisted light to maintain its initial helical phase even when traversing turbid, tissue-like media characterized by multiple scattering. These findings open up exciting possibilities for the application of OAM light in biomedical fields, including non-invasive transcutaneous glucose monitoring and optical communication through biological tissues and other optically dense environments.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the growing significance of shaped light with orbital angular momentum (OAM) in various scientific fields, including astrophysics, material science, and biomedicine. While the use of polarized light has a long history, the recent incorporation of OAM light presents new opportunities for both fundamental exploration and practical applications. The paper notes that OAM light has gained recognition for its role in generating exotic vector laser beams, enhancing telecommunications, and facilitating optical trapping of cells and micro-particles. Despite technical challenges, OAM light is positioned as a promising frontier in optical sensing, particularly for biomedical applications such as tissue diagnosis and imaging.
The study aims to investigate the effects of scattering and absorption on the transmission characteristics of OAM light through biological tissues, emphasizing the relationship between the topological charge of OAM light and tissue transmittance. It seeks to clarify the distinct advantages of OAM light in probing applications compared to its use in communications, where the focus is on data transmission. The paper underscores the resilience of OAM light to phase distortion, which allows it to maintain its topological charge during propagation, making it a valuable tool for non-invasive diagnostics and material characterization. By analyzing the helical wavefront changes of Laguerre-Gaussian (LG) beams in tissue-like media, the research aims to elucidate the predictive capacity of OAM light, thereby contributing to advancements in optical sciences and biomedical applications.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the protocols for data collection, including sampling techniques, measurement criteria, and analytical methods applied to assess the results.
Additionally, the section may describe statistical analyses performed to interpret the data, specifying any software or tools utilized. The rigor in the methods ensures that the findings are reliable and can be validated by other researchers in the field. Overall, this section serves as a critical foundation for understanding the experimental framework and the validity of the conclusions drawn from the study.
Results
In this section, the research investigates the propagation characteristics of Laguerre-Gaussian (LG) beams through transparent media, focusing on their ability to maintain a helical structure and associated orbital angular momentum (OAM). The study highlights that scalar LG beams, specifically LG$_{30}$ and LG$_{50}$, preserve their phase composition while experiencing a notable increase in the rate of phase twist due to spatial dispersion of photon trajectories. This twist is influenced by the refractive index gradient of the medium, leading to significant alterations in the transverse spatial phase distribution of the LG beam, even with minor changes in refractive index (Δn = 10$^{-6}$). The experimental results align closely with theoretical predictions, demonstrating the sensitivity of OAM light to refractive index variations, which could have implications for biomedical applications, such as non-invasive diagnostics.
The research also explores the effects of scattering in turbid media on the LG beam’s propagation. In low-scattering environments, the LG beam retains its OAM state and helical phase structure, while in multiple scattering scenarios, the beam’s intensity profile becomes diffusive, and the helical phase front is disrupted, resulting in complex speckle patterns. Despite these disruptions, the phase speckle pattern retains a modulation of the initial phase, indicating a form of memory of the OAM in multiple scattering conditions. This work underscores the potential of OAM-based techniques for sensitive detection applications, particularly in monitoring physiological changes in biological tissues.
Discussion
In this discussion section, the research highlights the preservation of the helical phase structure of Laguerre-Gaussian (LG) beams as they propagate through scattering media, attributed to the rotational symmetry of the photon trajectories. Despite significant phase distortions caused by scattering, the overall orbital angular momentum (OAM) of the LG beam is maintained, particularly within the axial annular region, as evidenced by the phase dynamics observed in the speckle patterns. The study emphasizes that while the phase memory of OAM is pronounced in high scattering environments (dimensionless optical depth $d/l^* \sim 10$), it is less discernible in central and external areas of the beam, indicating a spatial variability in phase preservation.
The research further explores the impact of scattering on polarization states, revealing that polarization scrambling occurs at different scales, leading to a chaotic distribution of polarization states in highly scattering media. The degree of polarization is quantitatively defined, and the findings suggest that the preservation of OAM is linked to the exponential localization of transmission eigenchannels, which align with the shortest optical pathways. The study underscores the potential of OAM light in probing biological tissues, particularly in non-invasive diagnostics, by leveraging its sensitivity to refractive index changes and topological robustness. The results advocate for the application of OAM in medical diagnostics, emphasizing its ability to detect subtle physiological alterations indicative of diseases, thus paving the way for innovative advancements in optical sensing and imaging within biomedical contexts.