近日，中国上海交通大学集成电路学院何祖源教授、樊昕昱教授、万阳阳助理教授团队在计算光谱偏振测量领域取得重大突破。研究团队提出了一种基于谐振泄漏模随机介质的新型计算光谱偏振测量方法，建立了计算光学测量系统的统一理论模型，并研制出兼具超高分辨率(20 fm)、宽测量带宽(150 nm)和微型化特点的计算光谱偏振仪。相关成果以“Resonant microtaper leaky-mode computational spectropolarimetry with tens of femtometers spectral resolution and full Stokes measurement”为题，发表于国际顶级期刊 《Nature Communications》。

光谱分辨率达到20飞米(1飞米 = 10⁻¹⁵米)，相当于在150 nm测量带宽内分辨出750万个独立光谱通道。这是目前计算光谱偏振测量领域公开报道的最高分辨率。

高光谱分辨率与微型化难以兼得

光谱和偏振是光场最重要的两个维度信息：光谱能够反映物质的组成成分与化学反应过程，偏振则能揭示物体表面纹理、分子手性及生物组织结构。能够同时获取这两类信息的光谱偏振测量技术，在遥感探测、生物医学、光通信、工业检测及天文观测等领域具有不可替代的应用价值。

传统光谱偏振仪依赖光栅、棱镜、扫描器件及复杂偏振分析模块，系统体积庞大、结构复杂，难以满足未来光学仪器对微型化、集成化和高性能的需求。

近年来兴起的计算光谱仪和计算偏振仪利用随机介质产生具有唯一性的散斑信息，通过计算重建实现光场测量。但这一领域长期面临两个关键瓶颈：

缺乏统一理论指导：不同随机介质构建的系统性能差异巨大，分辨率决定机制不明，难以指导结构设计优化;

高性能与小尺寸难以兼顾：现有技术无法同时实现超高光谱分辨率、宽测量带宽和全偏振测量能力。

从“盲人摸象”到“统一公式”

 统一理论模型：揭示分辨率的本质

研究团队首先建立了适用于计算光谱仪、计算偏振仪等随机介质计算测量系统的统一理论模型，解决了长期以来“知其然不知其所以然”的困境。

关键发现：无论随机介质来源于多模传输、多次散射还是多重反射，其测量能力最终均由随机介质内部能够形成的 最大光程差(Optical Path Difference, OPD) 决定。理论证明，系统可分辨的最小光谱变化与OPD成反比，即OPD越大，分辨率越高。这为计算测量系统提供了统一评价标准，也为随机介质的设计优化明确了理论方向。

谐振泄漏模策略：在毫米级空间内创造“千米级光程”

在理论指导下，团队提出了一种全新的谐振泄漏模(Resonant Leaky Mode, RLM)计算光谱偏振仪架构，核心创新体现在两个层面：

第一层：锥形无芯光纤激发高阶泄漏模

研究采用锥形无芯光纤替代传统多模光纤作为随机介质。光场在锥形结构中能够激发数量更多、传播常数差异更大的泄漏模，大幅提高系统可形成的光程差。

第二层：微球耳语廊模式谐振耦合

团队进一步引入高品质因子微球耳语廊模式(Whispering Gallery Mode, WGM)微腔，与高阶泄漏模发生复杂谐振耦合，进一步延长光传播路径。这种设计在极小器件尺寸内显著增强了有效光程差，产生更加复杂且对波长、偏振变化更加敏感的散斑响应。

物理本质：光在锥形泄漏模与微球谐振模之间反复耦合，等效于在毫米级物理空间内实现了“千米级”有效光程。

三项指标均创国际最好水平

光谱分辨率：从1.5 pm到20 fm，提升75倍

实验结果表明，引入WGM微球谐振后，系统光谱分辨率由原来的1.5 pm(皮米)提升至20 fm(飞米)，提升约75倍。20飞米的分辨率意味着该仪器能够分辨波长相差仅千万分之二纳米的两个光谱信号——这是目前计算光谱偏振测量领域公开报道的最高分辨率。

振测量：全Stokes重建，均方误差仅4.732×10⁻⁶

在偏振测量方面，该系统实现了全Stokes偏振信息重建，整体均方误差仅为4.732×10⁻⁶，偏振测量精度达到国际先进水平。实验同时验证了系统能够同步完成光谱和偏振信息测量，实现真正意义上的多维光场测量。

带宽/分辨率比与分辨率-尺寸乘积：双双刷新纪录

得益于理论指导下的随机介质优化策略，研究团队取得了两项关键性能指标的国际最好水平：

这一结果表明，所提出的方法有效突破了传统光谱测量中分辨率、带宽与尺寸三者之间的经典权衡关系，为高性能微型光谱偏振仪的发展开辟了全新路径。

从实验室走向产业化的广阔空间

遥感探测与天文观测

超高光谱分辨率与全偏振测量能力，使该技术能够捕捉地物或天体极其细微的光谱特征与偏振信息。在大气痕量气体监测、植被生态遥感、恒星磁场测量等领域，20飞米级分辨率可提供前所未有的信息维度。

生物医学与临床检测

微型化的光谱偏振仪有望集成到内窥镜、便携式诊断设备中，实现无标记组织病理分析、早期癌变筛查、血糖连续监测等功能。全Stokes偏振测量可揭示胶原蛋白排列、细胞形态变化等传统光谱难以获取的结构信息。

光通信与工业检测

在密集波分复用光通信系统中，20 fm级分辨率可精确监测每个信道的波长漂移。在半导体制造、薄膜厚度测量、化学过程监控等工业场景中，该技术可提供高精度、实时在线的多维光场分析能力。

芯片级光谱偏振仪

团队实现的5 nm·μm²分辨率-尺寸乘积，意味着该技术有望进一步集成到芯片级光学传感器中，为智能手机、可穿戴设备、无人机等平台提供原本只有大型仪器才能实现的光谱偏振分析能力。

中国团队引领计算光学测量新范式

这项研究的核心价值在于打通了“理论模型—介质设计—系统集成—性能突破”的完整创新链条：

理论上，首次建立了统一模型，揭示了OPD是决定系统分辨率的本质物理量;

方法上，提出了谐振泄漏模这一全新随机介质策略，打破了传统方案的高性能与微型化难以兼得的魔咒;

性能上，20 fm分辨率、7.5×10⁶带宽/分辨率比、5 nm·μm²分辨率-尺寸乘积，三项指标均处于国际领先水平。

该成果不仅为计算光谱偏振测量提供了新的技术路线，也为未来微型化、高性能光学仪器的发展奠定了重要基础，标志着中国在计算光学测量领域迈入国际最前沿。