清華新聞網(wǎng)10月17日電 光是自然最深邃的語(yǔ)言。自1666年牛頓以棱鏡劃開(kāi)白光，人類(lèi)便以光譜之筆，書(shū)寫(xiě)對(duì)物質(zhì)與宇宙的理解。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，成為光譜成像領(lǐng)域久未破解的科學(xué)難題。
清華大學(xué)電子系方璐團(tuán)隊(duì)提出可重構(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。通過(guò)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(jí)高分辨光譜成像芯片“玉衡”?！坝窈狻睙o(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，快照光譜成像的分辨能力（R=12000）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)法兼得的長(zhǎng)期瓶頸。
圖1.“玉衡”光譜成像芯片概念圖
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2cm×2cm×0.5cm，在400-1000nm的寬光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了亞埃米級(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?！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(guān)測(cè)等領(lǐng)域。
圖2.可重構(gòu)計(jì)算光學(xué)成像架構(gòu)
以天文觀(guān)測(cè)為例，“玉衡”的快照式成像每秒獲取近萬(wàn)顆恒星的完整光譜，有望將銀河系千億顆恒星的光譜巡天周期從數(shù)千年縮短至十年以?xún)?nèi)；未來(lái)可搭載于衛(wèi)星，有望在數(shù)年內(nèi)繪制出人類(lèi)前所未見(jiàn)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(jí)優(yōu)化。2025年5月，方璐受邀在西班牙加那利天文研究所（IAC）講座，“玉衡”在10.4m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)物理前沿研究提供前所未有的新視野。
未來(lái)，隨著高分辨光譜獲取范式的持續(xù)變革，以“玉衡”為代表的計(jì)算光譜成像技術(shù)，將以更小的體積、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(kāi)拓新的光譜天地。
研究成果以“集成鈮酸鋰光子學(xué)亞埃米級(jí)快照光譜成像”（Integrated lithium niobate photonics for sub-angstrom snapshot spectroscopy）為題，于10月15日發(fā)表于《自然》（Nature）。
清華大學(xué)電子系與國(guó)研中心為論文第一單位，電子系教授方璐為論文通訊作者，國(guó)研中心姚志陽(yáng)博士為論文第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重大科研儀器項(xiàng)目及科學(xué)探索獎(jiǎng)的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09591-x
供稿：電子系
編輯：李華山
審核：郭玲
