清華大學成功研制全球首款亞埃米級快照光譜成像芯片“玉衡”

“玉衡”之名源自《尚書·舜典》“在璿璣玉衡，以齊七政”，古人以此校定日月星辰運行秩序，今人則以同名之芯，校衡光的頻譜與宇宙的奧秘。

“玉衡”光譜成像芯片概念圖

10月16日消息，清華大學電子工程系方璐教授團隊在智能光子領域取得重大突破，成功研制出全球首款亞埃米級快照光譜成像芯片“玉衡”。這一成果標志著我國智能光子技術在高精度成像測量領域達到了新的高度，相關研究成果已在線發(fā)表于國際知名學術期刊《自然》（Nature），題為《集成鈮酸鋰光子學亞埃米級快照光譜成像》（Integrated lithium niobate photonics for sub-angstrom snapshot spectroscopy）。

突破傳統(tǒng)瓶頸，實現(xiàn)技術飛躍

長期以來，傳統(tǒng)光譜測量受限于物理分光采集與固化結構，光譜分辨率與成像通量之間存在難以兼顧的固有矛盾，成為光譜成像領域的長期技術瓶頸。

為破解這一難題，方璐教授團隊基于智能光子原理，創(chuàng)新性地提出了“可重構計算光學成像架構”，將傳統(tǒng)物理分光的限制轉變?yōu)楣庾诱{(diào)制與計算重建的過程。通過深入研究隨機干涉掩膜與鈮酸鋰材料的電光重構特性，團隊實現(xiàn)了高維光譜調(diào)制與高通量解調(diào)的協(xié)同計算，最終成功研制出“玉衡”芯片。

可重構計算光學成像架構（圖自清華大學）

“玉衡”芯片體積小巧，尺寸僅為約2厘米×2厘米×0.5厘米，卻能在400—1000納米的寬光譜范圍內(nèi)，實現(xiàn)亞埃米級光譜分辨率和千萬像素級空間分辨率的快照光譜成像。該芯片能夠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（R=12,000）較以往提升了兩個數(shù)量級，成功突破了光譜分辨率與成像通量無法兼得的長期瓶頸。

應用前景廣闊，推動多領域發(fā)展

方璐教授表示，“玉衡”芯片攻克了光譜成像系統(tǒng)在分辨率、效率與集成度方面的難題，具有廣泛的應用前景。

在天文觀測領域，“玉衡”的快照式成像每秒可獲取近萬顆恒星的完整光譜，有望將銀河系千億顆恒星的光譜巡天周期從數(shù)千年縮短至十年以內(nèi)。憑借其微型化設計，“玉衡”還可搭載于衛(wèi)星，有望在數(shù)年內(nèi)繪制出人類前所未有的宇宙光譜圖景，為暗物質(zhì)、黑洞等基礎物理前沿研究提供全新視野。

此外，“玉衡”芯片還可應用于機器智能、機載遙感等多個領域。在機器智能領域，高分辨率的光譜成像能夠為物體識別、場景理解等任務提供更豐富的信息；在機載遙感領域，“玉衡”芯片則能夠?qū)崿F(xiàn)對地表的高精度、高效率光譜成像，為環(huán)境監(jiān)測、資源勘探等提供有力支持。

科研團隊不懈努力，創(chuàng)新成果獲國際認可

方璐教授團隊在智能光子領域的研究由來已久，此次“玉衡”芯片的成功研制是團隊多年努力的結晶。該研究成果得到了國家自然科學基金重大科研儀器項目及科學探索獎的支持，完成單位為清華大學電子工程系與北京信息科學與技術國家研究中心。方璐教授為通訊作者，北京信息科學與技術國家研究中心姚志陽博士為第一作者。

國際學術界對“玉衡”芯片的研制成功給予了高度評價。相關研究成果在線發(fā)表于《自然》期刊，標志著我國智能光子技術在國際舞臺上占據(jù)了重要地位。

隨著“玉衡”芯片的研制成功，清華大學電子工程系方璐教授團隊將繼續(xù)深化研究，推動智能光子技術的持續(xù)革新。團隊正基于原理樣片，加速工程化樣機與系統(tǒng)級優(yōu)化，并計劃在10.4米口徑加那利大型望遠鏡（GTC）上進行測試應用。

2025年5月方璐（右三）團隊訪問加那利大型望遠鏡（圖自清華大學）

未來，隨著高分辨光譜獲取范式的持續(xù)變革，以“玉衡”為代表的計算光譜成像技術將以更小的體積、更高的分辨力、更廣的應用邊界，為材料科學、地球科學、天文科學等領域開拓新的光譜天地。

責編：Luffy