我们许多人都知道，光通过任何一种介质，无论是自由空间还是生物组织，传播时都会发生散射。光的散射是光通信和光成像系统的普遍特征。通过结构化的光及其投射图案的使用可以抵御这种散射，因此已成为一种多功能工具。特别地，结构化的携带轨迹角动量的光的模式，已经在生物医学成像中的应用引起了极大的关注。
轨迹角动量，英语：Orbital angular momentum, 简写为：OAM，是光的内部属性，它赋予空间轮廓以特征性的甜甜圈似的形状，还可以构造轨迹角动量光模的偏振轮廓。如图所示不同的螺旋模式的特征显示了光束的螺旋结构及其相应的强度分布：
两个轨迹角动量模式的叠加，可以得到矢量涡旋光束（vector vortex beam，简写：VVB），其特征在于光束横截面中的甜甜圈似的强度分布，并且具有空间变化的偏振。 矢量涡旋光束被认为适合用于医疗技术中的量子应用。
创新的癌症扫描仪
一个国际研究团队最近发表了对矢量涡旋光束在散射介质中传播的综合研究。该团队在欧盟的癌症扫描（Cancer Scan）项目的支持下进行合作，该项目提议发展一种全新的生物医学检测统一技术概念，并在量子光学和量子力学中运用新思想。
如图所示乳胶珠溶液中散射过程之前（左侧）和之后（右侧）的矢量涡旋光束。
这个新概念基于在轨道角动量、纠缠和高光谱影像的三维空间中光子的统一传输和检测。从理论上讲，这些元素可有助于开发一种扫描仪，该扫描仪可以对癌症进行筛查，并在对人体的单次扫描中进行检测，而没有任何辐射风险。
高光谱影像，英语：hyperspectral imaging，是收集及处理整个跨电磁波谱的信息。不像是人类的眼睛，只能接触到可见光。高光谱的接触机制的光谱能够接触到红外线延伸到紫外线的范围，而这些正是人类所缺少的.
研究报告说，该研究团队实施了一个灵活的平台来生成矢量涡旋光束和高斯光束，并研究了它们在模仿生物组织特征的介质中的传播，他们演示并分析了不同模式的光的空间分布和偏振模式的退化。
在光学中，高斯光束（英语：Gaussian beam）是横向电场以及辐照度分布近似满足高斯函数的电磁波光束。许多激光都近似满足高斯光束的条件。
准备、瞄准、散射
对于高斯光束和矢量涡旋光束，研究指出，随着介质浓度增加超过0.09％，空间轮廓会发生突然变化，对比度突然迅速降低。研究人员观察到，这种变化是由于光束的散射分量导致均匀背景的存在所致。
如图所示与由微米级乳胶珠的水溶液构成的散射介质相互作用后，实现任意矢量涡旋光束和轨迹角动量模式以分析空间和极化特性的实验装置。通过增加散射介质的浓度携带轨道角动量的光的空间模式。
通过研究极化曲线，研究人员发现矢量涡旋光束行为与高斯光束的行为有很大不同。高斯光束呈现出不受散射过程影响的均匀偏振图案。相反，矢量涡旋光束在横向平面上呈现复杂的极化分布。该研究小组观察到，矢量涡旋光束信号的一部分穿过散射介质时会完全去极化，但是一部分信号保留了其结构。
这些与散射介质相互作用如何影响结构化轨迹角动量光的行为的认知，代表了探索光如何与生物组织的相互作用向前了一步。研究小组希望，他们的全面研究将激发对光散射组织模拟介质的影响的进一步研究，以推动对创新生物医学检测技术的追求，比如有助于开发一种没有任何辐射风险的癌症量子扫描仪。
参考：Transmission of vector vortex beams in dispersive media, Advanced Photonics (). DOI: 10.1117/1.AP.2.3.036003
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