円錐屈折ビームのトポロジカル位相構造：ナノスケールバイオセンシングのための軌道角運動量応用の拡大

科学分野:

• トポロジカルフォトニクスおよびナノフォトニクス。生物医学光学および診断。量子光学およびレーザー物理学

背景:

• トポロジカルに構造化された光、特にラゲール・ガウス（LG）のような軌道角運動量（OAM）を担持するビームは、ナノフォトニクスおよび生物医学光学に不可欠です。従来の整数電荷LGビームは回転縮退を示し、組織診断などの応用における精度を制限します。複雑な媒体における曖昧さのない位相シグネチャと強化された診断精度を提供する光モダリティの必要性が存在します。

研究 の 目的:

• 円錐屈折（CR）ビームが従来のLGビームの回転縮退限界を克服することを実証すること。がん検出を含む精密なラベルフリー組織診断におけるCRビームの可能性を調査すること。生物組織におけるCRビームとLGビームの診断性能を比較すること。

主な方法:

• 生物組織におけるLG（整数OAM）およびCR（分数OAM）ビーム伝播の系統的な干渉比較。両ビームタイプの位相シグネチャ、回転曖昧さ、および屈折率感度の分析。CRビームを使用した健康な腎臓組織とがん腎臓組織の実験的区別、位相回転と偏光歪みの評価。

主要な成果:

• 円錐屈折（CR）ビーム、特にポッゲンドルフCRは、0.08ラジアンの精度で位相決定を達成し、LGビーム（不確かさ4.19ラジアン）をはるかに上回ります。LGビームとCRビームの両方で組織内での位相的堅牢性が示され、CRビームは10^-6レベルの屈折率感度を達成しました。CRビームは、健康な腎臓組織とがん腎臓組織を（明確な位相回転、p < 0.001で）区別することに成功し、10倍に増幅された偏光歪みを示しました。

結論:

• CRによって生成された分数OAM状態は、曖昧さのない位相シグネチャを提供し、高精度生物医学診断のための優れたモダリティとしての地位を確立します。CRビームは、ラベルフリー組織分析およびがん検出のための従来のモダリティを上回る、強化された信号対雑音比と感度を提供します。この研究は、基礎的なナノフォトニクスと臨床応用を橋渡しし、高度ながん診断と術中マージン評価への道を開きます。