电磁波的矢量性质在光物质相互作用，光学传输和成像中起着不可或缺的作用。对光的偏振态的控制在单分子检测，纳米等离子体，光学镊子，非线性显微镜和光学相干断层扫描中已经广泛地利用。然而，通过在三维无序介质中多次散射，事先制备的预定偏振态的光在输出时被扰乱。

图1 通过波前成形进行光纤解偏振和偏振控制

对于单模光纤，可以通过操纵输入偏振来控制输出偏振态。由于固有缺陷和环境扰动，诸如偏心，弯曲和扭曲等引入的折射率波动，使多模光纤（MMF）不仅经历偏振混合而且经历模式混合。随着多模光纤在通信，成像，高功率激光器和放大器中的应用越来越多，这种差异对于采用偏振敏感技术来控制光纤探测远端的光-物质相互作用或非线性光学过程是一个严重的问题。

图2 MMF中的偏振混合，类似于混沌腔中的波散射。因此，MMF的特征值对应于混沌腔的反射特征值。将耦合光的本征向量与输出场向量的最大本征值联系起来，可以消除解偏作用。

当光以单个导模模式注入MMF时，它会扩散到其他模式，每个模式都经历不同的偏振干扰。因此，由于模式的输出偏振态从一种模式变化到另一种模式（见图1a），所以通过调整单模输入偏振，不能实现在所有模式下控制输出偏振态。实现完全偏振控制的一种方法是测量MMF的全传输矩阵，通过逆变换找到要注入各个模式的矢量场。该方法需要同时控制输入处的空间和偏振自由度，并且在技术上要求很高。

图3 克服光纤解偏振和完全转换为正交偏振的实验演示

从另一个角度去考虑和研究这个问题，也就是说通过波前整形，利用多个散射耦合空间和偏振自由度，能够对入射光束进行偏振控制。MMF中的空间和偏振自由度之间相互耦合的特性，为仅利用输入波的空间自由度来控制输出场的偏振状态提供了可能。

近日，耶鲁大学和耶路撒冷希伯来大学的科研人员仅通过操纵激光束进入光纤的空间波前，证明了对所有输出模式的偏振态的完全控制。通过调制线性偏振（LP）光束的空间波前，MMF中的解偏作用被完全消除，并且透射光保持输入时的偏振态。此外，实现了输入偏振到任何偏振态的完全转换。利用空间自由度进一步在不限制输入偏振态的情况下，实现了各个输出模式偏振态的完全控制。理论分析和数值模拟表明，只有在光纤中发生模式耦合时，才能使用空间波前整形完全控制偏振。而在MMF中通常不可避免的随机模式混合为偏振控制提供了良好的基础条件。因此，波前整形可以使MMF作为高效的波片重构矩阵，将入射场的任意偏振态转换为任何所需的偏振态。对于成像和传感应用，所有输出空间模式的全偏振控制可以避免空间点扫描并且并行获取信息。另外对输出偏振态的完全控制将在内窥镜检查，光谱学，显微镜，非线性光学，量子光学，光学通信和光纤放大器等方面发挥巨大作用。相关内容以《Complete polarization control in multimode fibers with polarization and mode coupling》为题，发表在《Light: Science & Applications》

来源： Light: Science & Applications

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