原創(chuàng) 清華大學(xué) 清華大學(xué) 北京

光譜記錄著光在不同波長下的強(qiáng)度變化，揭示了物質(zhì)與光的相互作用，是解析成分、結(jié)構(gòu)與特性的“光學(xué)密鑰”。然而，傳統(tǒng)光譜測量受限于分光采集與固化結(jié)構(gòu)，光譜分辨率與成像通量之間長期存在固有矛盾，成為光譜成像領(lǐng)域久未破解的科學(xué)難題。

“玉衡”光譜成像芯片概念圖

清華大學(xué)電子工程系方璐教授課題組另辟蹊徑，首創(chuàng)了可重構(gòu)計(jì)算光學(xué)成像架構(gòu)，研制了高分辨光譜成像芯片“玉衡”，實(shí)現(xiàn)了亞埃米級光譜分辨率、千萬像素級空間分辨率的快照光譜成像。該研究成果以《集成鈮酸鋰光子學(xué)亞埃米級快照光譜成像》（“Integrated lithium niobate photonics for sub-angstrom snapshot spectroscopy”）為題，于10月15日在線發(fā)表于《自然》（Nature）。

Nature網(wǎng)站論文截圖

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以光為鑰，破譯自然的語言。方璐教授團(tuán)隊(duì)提出的可重構(gòu)計(jì)算光學(xué)成像架構(gòu)，將物理分光限制轉(zhuǎn)化為光子調(diào)制與重建過程，挖掘隨機(jī)干涉掩膜與鈮酸鋰材料的電光重構(gòu)特性，實(shí)現(xiàn)了高維光譜調(diào)制與高通量解調(diào)的協(xié)同計(jì)算。由此研制出亞埃米級高分辨光譜成像芯片——“玉衡”，無需在波長維度犧牲通量，每個像素均可獲取完整光譜信息，快照光譜成像的分辨能力（R = 12,000）提升兩個數(shù)量級，突破了光譜分辨率與成像通量無法兼得的長期瓶頸。

可重構(gòu)計(jì)算光學(xué)成像架構(gòu)

方寸之間，解開宇宙與生命的光譜密碼?！坝窈狻钡恼Q生是人工智能與物理光學(xué)、集成光子學(xué)、材料科學(xué)的交叉融合。與傳統(tǒng)體型龐大、采集緩慢的高分辨光譜裝置不同，“玉衡”芯片僅約2厘米 × 2厘米 × 0.5厘米，在400 - 1000納米的寬光譜范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了亞埃米級光譜分辨率、千萬像素級空間分辨率，并具備88 Hz的快照光譜成像能力?！坝窈狻惫タ肆斯庾V成像系統(tǒng)的分辨率、效率與集成度難題，可廣泛應(yīng)用于機(jī)器智能、機(jī)載遙感、天文觀測等領(lǐng)域。課題組在論文中進(jìn)行了詳細(xì)的光譜巡天實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，指出“玉衡”芯片具備應(yīng)用于光譜巡天并大幅度提升天文觀測效率的能力。憑借微型化設(shè)計(jì)，它還可搭載于衛(wèi)星，有望繪制出前所未見的宇宙光譜圖景。課題組正基于原理樣片，加速工程化樣機(jī)與系統(tǒng)級優(yōu)化，“玉衡”將在10.4米口徑加那利大型望遠(yuǎn)鏡（GTC）上進(jìn)行測試應(yīng)用，有望為暗物質(zhì)、黑洞等基礎(chǔ)物理前沿研究提供新視野。

2025年5月方璐（右三）團(tuán)隊(duì)訪問加那利大型望遠(yuǎn)鏡

玉衡之名：以光校衡天地。《尚書·舜典》有言“在璿璣玉衡，以齊七政”，古人以“玉衡”校定日月星辰的運(yùn)行秩序，而今，科學(xué)家以同名之芯校衡光的頻譜與宇宙的奧秘。未來，隨著高分辨光譜獲取范式的持續(xù)變革，期待以“玉衡”為代表的計(jì)算光譜成像技術(shù)，以更小的體積、更高的分辨力、更廣的應(yīng)用邊界，為材料科學(xué)、地球科學(xué)、天文科學(xué)開拓新的光譜天地。

該研究獲國家自然科學(xué)基金重大科研儀器項(xiàng)目及科學(xué)探索獎的支持，完成單位為清華大學(xué)電子工程系與北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心，方璐教授為通訊作者，北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心姚志陽博士為第一作者。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586 - 025 - 09591 - x

原標(biāo)題：《芯片“玉衡”出世！清華團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)》

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