我們許多人都知道，光通過任何一種介質，無論是自由空間還是生物組織，傳播時都會發生散射。光的散射是光通信和光成像系統的普遍特徵。通過結構化的光及其投射圖案的使用可以抵禦這種散射，因此已成為一種多功能工具。特別地，結構化的攜帶軌跡角動量的光的模式，已經在生物醫學成像中的應用引起了極大的關注。
軌跡角動量，英語：Orbital angular momentum, 簡寫為：OAM，是光的內部屬性，它賦予空間輪廓以特徵性的甜甜圈似的形狀，還可以構造軌跡角動量光模的偏振輪廓。如圖所示不同的螺旋模式的特徵顯示了光束的螺旋結構及其相應的強度分布：
兩個軌跡角動量模式的疊加，可以得到矢量渦旋光束（vector vortex beam，簡寫：VVB），其特徵在於光束橫截面中的甜甜圈似的強度分布，並且具有空間變化的偏振。 矢量渦旋光束被認為適合用於醫療技術中的量子應用。
創新的癌症掃描儀
一個國際研究團隊最近發表了對矢量渦旋光束在散射介質中傳播的綜合研究。該團隊在歐盟的癌症掃描（Cancer Scan）項目的支持下進行合作，該項目提議發展一種全新的生物醫學檢測統一技術概念，並在量子光學和量子力學中運用新思想。
如圖所示乳膠珠溶液中散射過程之前（左側）和之後（右側）的矢量渦旋光束。
這個新概念基於在軌道角動量、糾纏和高光譜影像的三維空間中光子的統一傳輸和檢測。從理論上講，這些元素可有助於開發一種掃描儀，該掃描儀可以對癌症進行篩查，並在對人體的單次掃描中進行檢測，而沒有任何輻射風險。
高光譜影像，英語：hyperspectral imaging，是收集及處理整個跨電磁波譜的信息。不像是人類的眼睛，只能接觸到可見光。高光譜的接觸機制的光譜能夠接觸到紅外線延伸到紫外線的範圍，而這些正是人類所缺少的.
研究報告說，該研究團隊實施了一個靈活的平臺來生成矢量渦旋光束和高斯光束，並研究了它們在模仿生物組織特徵的介質中的傳播，他們演示並分析了不同模式的光的空間分布和偏振模式的退化。
在光學中，高斯光束（英語：Gaussian beam）是橫向電場以及輻照度分布近似滿足高斯函數的電磁波光束。許多雷射都近似滿足高斯光束的條件。
準備、瞄準、散射
對於高斯光束和矢量渦旋光束，研究指出，隨著介質濃度增加超過0.09％，空間輪廓會發生突然變化，對比度突然迅速降低。研究人員觀察到，這種變化是由於光束的散射分量導致均勻背景的存在所致。
如圖所示與由微米級乳膠珠的水溶液構成的散射介質相互作用後，實現任意矢量渦旋光束和軌跡角動量模式以分析空間和極化特性的實驗裝置。通過增加散射介質的濃度攜帶軌道角動量的光的空間模式。
通過研究極化曲線，研究人員發現矢量渦旋光束行為與高斯光束的行為有很大不同。高斯光束呈現出不受散射過程影響的均勻偏振圖案。相反，矢量渦旋光束在橫向平面上呈現複雜的極化分布。該研究小組觀察到，矢量渦旋光束信號的一部分穿過散射介質時會完全去極化，但是一部分信號保留了其結構。
這些與散射介質相互作用如何影響結構化軌跡角動量光的行為的認知，代表了探索光如何與生物組織的相互作用向前了一步。研究小組希望，他們的全面研究將激發對光散射組織模擬介質的影響的進一步研究，以推動對創新生物醫學檢測技術的追求，比如有助於開發一種沒有任何輻射風險的癌症量子掃描儀。
參考：Transmission of vector vortex beams in dispersive media, Advanced Photonics (2020). DOI: 10.1117/1.AP.2.3.036003