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清华大学电子系方璐团队研制出亚埃米级高分辨光谱成像芯片

2025/10/20

文章导读
光谱成像领域长期被一个难题困扰:分辨率与效率无法兼得?清华大学方璐团队最新研发的"玉衡"芯片给出颠覆性答案!这款仅指甲盖大小的芯片突破物理极限,在400-1000nm宽光谱范围内实现亚埃米级分辨率,每个像素都能获取完整光谱信息,快照光谱成像能力提升两个数量级。这项技术将彻底改变天文观测——原本需要数千年的银河系恒星光谱巡天,现在只需十年就能完成,还能为暗物质、黑洞研究开启全新窗口。想知道这颗芯片如何改写光谱成像历史?它又将如何推动材料科学、地球科学等领域突破边界?
— 内容由好学术AI分析文章内容生成,仅供参考。

光是自然最深邃的语言。自1666年牛顿以棱镜划开白光,人类便以光谱之笔,书写对物质与宇宙的理解。光谱记录着光在不同波长下的强度变化,揭示了物质与光的相互作用,是解析成分、结构与特性的“光学密钥”。然而,传统光谱测量受限于分光采集与固化结构,光谱分辨率与成像通量之间长期存在固有矛盾,成为光谱成像领域久未破解的科学难题。

清华大学电子系方璐团队提出可重构计算光学成像架构,将物理分光限制转化为光子调制与重建过程。通过挖掘随机干涉掩膜与铌酸锂材料的电光重构特性,实现了高维光谱调制与高通量解调的协同计算,由此研制出亚埃米级高分辨光谱成像芯片“玉衡”。“玉衡”无需在波长维度牺牲通量,每个像素均可获取完整光谱信息,快照光谱成像的分辨能力(R=12000)提升两个数量级,突破了光谱分辨率与成像通量无法兼得的长期瓶颈。

清华大学电子系方璐团队研制出亚埃米级高分辨光谱成像芯片

图1.“玉衡”光谱成像芯片概念图

与传统体型庞大、采集缓慢的高分辨光谱装置不同,“玉衡”芯片仅约2cm×2cm×0.5cm,在400-1000nm的宽光谱范围内实现了亚埃米级光谱分辨率、千万像素级空间分辨率的快照光谱成像。“玉衡”攻克了光谱成像系统的分辨率、效率与集成度难题,可广泛应用于机器智能、机载遥感、天文观测等领域。

清华大学电子系方璐团队研制出亚埃米级高分辨光谱成像芯片

图2.可重构计算光学成像架构

以天文观测为例,“玉衡”的快照式成像每秒获取近万颗恒星的完整光谱,有望将银河系千亿颗恒星的光谱巡天周期从数千年缩短至十年以内;未来可搭载于卫星,有望在数年内绘制出人类前所未见的宇宙光谱图景。

课题组正基于原理样片,加速工程化样机与系统级优化。2025年5月,方璐受邀在西班牙加那利天文研究所(IAC)讲座,“玉衡”在10.4m口径加那利大型望远镜(GTC)上进行测试应用,有望为暗物质、黑洞等基础物理前沿研究提供前所未有的新视野。

未来,随着高分辨光谱获取范式的持续变革,以“玉衡”为代表的计算光谱成像技术,将以更小的体积、更高的分辨力、更广的应用边界,为材料科学、地球科学、天文科学开拓新的光谱天地。

研究成果以“集成铌酸锂光子学亚埃米级快照光谱成像”(Integrated lithium niobate photonics for sub-angstrom snapshot spectroscopy)为题,于10月15日发表于《自然》(Nature)。

清华大学电子系与国研中心为论文第一单位,电子系教授方璐为论文通讯作者,国研中心姚志阳博士为论文第一作者。研究得到国家自然科学基金重大科研仪器项目及科学探索奖的支持。


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