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导语
近日，来自英国赫瑞-瓦特大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究(https://doi.org/10.1038/s41467-026-72129-w)：他们利用硅CMOS SPAD阵列探测器，实现了对多模光纤中模式分辨、皮秒时间分辨、偏振态分辨的单光子成像，首次在同一平台上完成了双偏振模态动态的实时观测与斯托克斯矢量全重建。
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核心内容
1.双通道SPAD阵列+偏振分束，实现"偏振分离"成像
研究团队搭建了一套双SPAD成像系统，两个SPAD阵列分别记录垂直偏振与水平偏振的光子分布。结合时间相关单光子计数，他们能够在55皮秒的时间分辨率下，同时获取两个偏振通道的时空模态演化。
亮点：不再需要依次扫描偏振态，而是并行采集，实现真正的"准实时"偏振成像。
2.从LP₀₁到LP₁₁：模式之间的能量迁移首次被"看到"
通过对光纤施加弯折、压迫等扰动，研究团队清晰地观察到：
LP₀₁与LP₁₁模式之间的能量重新分配；
在2圈弯折条件下，偏振态之间的能量分布出现显著差异；
总光子数守恒，但模态耦合显著变化。
这些结果揭示了机械扰动如何动态改变光纤中的模式结构与偏振状态，对模式复用通信、光纤传感等具有重要指导意义。
3.首次实现模式分辨的皮秒级斯托克斯偏振重建
通过在系统中加入可旋转的四分之一波片，并利用希尔伯特变换替代传统的全局正弦拟合法，研究团队实现了每个像素、每个时间点的斯托克斯参数独立重建。
LP₀₁模式：偏振态空间均匀，带有稳定的椭圆偏振成分；
LP₁₁模式：偏振态在空间上呈现对称性反转，左、右瓣之间出现π相位跳变，平均后圆偏分量被"隐藏"。
这意味着：传统全局平均方法会丢失大量偏振信息，而该方法能保留空间异质性。
4.多模光纤中的超快散斑偏振成像
在支持340个模式群的多模光纤中，研究团队进一步验证了该方法对强退偏、复杂散斑场的适应能力。他们实现了：
在220皮秒时间窗口内，逐时间箱重建斯托克斯矢量；
清晰展示不同时间箱内偏振态的剧烈涨落；
演示了55皮秒时间分辨率下的动态偏振演化。
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研究意义
1.为光纤通信提供新的"偏振诊断工具"
在模分复用和偏振复用系统中，模式与偏振之间的耦合是信号串扰的主要来源。该方法可以实时监测偏振态演化，优化模式激发条件，提升系统稳定性。
2.推动分布式光纤传感发展
偏振态对外界扰动极其敏感。结合单光子级别的灵敏度和皮秒级时间分辨率，该方法可用于定位弯曲、振动、温度变化等扰动事件，为环境监测、结构健康检测提供新思路。
3.助力生物医学偏振成像
许多生物组织（如胶原纤维、神经髓鞘、淀粉样蛋白）具有偏振敏感性。结合多模光纤的柔性特点，该技术有望实现深组织、单光子、偏振分辨的内窥成像，用于早期病变检测。
4.支持量子光学与高维纠缠研究
该方法支持模式分辨、偏振分辨、时间分辨的单光子探测，为高维量子态编码、纠缠分发、轨道角动量态分析等提供了理想平台。理论上，该系统可分辨最多41个空间模式。
图1：双偏振光飞行空间模式成像系统与基于SPAD的探测方案
图2：光纤扰动下偏振分辨的LP₀₁和LP₁₁模式动力学
图3：受控光纤扰动下偏振分辨的LP₀₁和LP₁₁模式演化
图4：SPAD阵列上LP₀₁和LP₁₁模式的像素分辨偏振调制
图5：LP₀₁和LP₁₁模式的斯托克斯矢量重建
图6：基于椭圆和庞加莱球表示的LP₀₁和LP₁₁模式偏振态重建
图7：超快多模散斑偏振测量与时间分辨斯托克斯分析
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