

清华大学电子工程系方璐教授团队在智能光子领域取得重大突破,首创了可重构计算光学成像架构,研制了高分辨光谱成像芯片“玉衡”,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,标志着我国智能光子技术在高精度成像测量领域迈上新台阶。相关研究成果以《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”)为题在线发表于学术期刊《自然》。

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。
研究团队基于智能光子原理,创新提出可重构计算光学成像架构,将传统物理分光限制转化为光子调制与计算重建过程。通过挖掘随机干涉掩膜与铌酸锂材料的电光重构特性,团队实现高维光谱调制与高通量解调的协同计算。

可重构计算光学成像架构
并由此研制出亚埃米级高分辨光谱成像芯片——“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=12,000)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。
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2厘米×2厘米×0.5厘米,却可在400—1000纳米的宽光谱范围内,实现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,能在单次快照中同步获取全光谱与全空间信息,并具备88 Hz 的快照光谱成像能力,为高分辨光谱成像开辟了新路径。
方璐表示,“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,以天文观测为例,“玉衡”的快照式成像每秒可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,凭借微型化设计,它还可搭载于卫星,有望在数年内绘制出人类前所未有的宇宙光谱图景。
据悉,目前课题组正基于原理样片,加速工程化样机与系统级优化,并将在10.4米口径加那利大型望远镜(GTC)上进行测试应用。
小彩蛋!为何这枚芯片会取名叫“玉衡”呢?据清华大学解释称,玉衡之名:以光校衡天地。《尚书·舜典》有言“在璿玑玉衡,以齐七政”,古人以“玉衡”校定日月星辰的运行秩序。而今,科学家以同名之芯,校衡光的频谱与宇宙的奥秘。
“玉衡”是融合人工智能、集成光子学与材料科学的突破。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有望以更小的体积、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。

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