清華大學(xué)電子工程系教授方璐團(tuán)隊(duì)成功研制出全球首款亞埃米級(jí)快照光譜成像芯片“玉衡”，可實(shí)現(xiàn)亞埃米級(jí)光譜分辨率、千萬(wàn)像素級(jí)空間分辨率的快照光譜成像。這標(biāo)志著我國(guó)智能光子技術(shù)在高精度成像測(cè)量領(lǐng)域邁上新臺(tái)階。相關(guān)研究成果日前在線(xiàn)發(fā)表于《自然》。
光譜記錄著光在不同波長(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)期存在固有矛盾。對(duì)此，方璐團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，提出了可重構(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(guò)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。
團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上研發(fā)的“玉衡”芯片，無(wú)需在波長(zhǎng)維度犧牲通量，每個(gè)像素均可獲取完整光譜信息。因此，芯片體積雖然僅為2厘米×2厘米×0.5厘米，卻可在400~1000納米的寬光譜范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)亞埃米級(jí)光譜分辨率、千萬(wàn)像素級(jí)空間分辨率的快照光譜成像，能在單次快照中，同步獲取全光譜與全空間信息。其快照光譜成像的分辨能力提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)，突破了光譜分辨率與成像通量無(wú)法兼得的瓶頸，為高分辨光譜成像開(kāi)辟了新路徑。
據(jù)介紹，“玉衡”攻克了光譜成像系統(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(guān)測(cè)等領(lǐng)域。團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的光譜巡天實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示，“玉衡”具備應(yīng)用于光譜巡天，并大幅度提升天文觀(guān)測(cè)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(jiàn)的宇宙光譜圖景。
目前，研究團(tuán)隊(duì)正基于原理樣片，加速工程化樣機(jī)與系統(tǒng)級(jí)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(cè)試應(yīng)用，有望為暗物質(zhì)、黑洞等基礎(chǔ)物理前沿研究開(kāi)拓新視野。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09591-x
編輯：李華山
