清华大学电子系方璐团队研制出亚埃米级高分辨光谱成像芯片

光是自然最深邃的语言。自1666年牛顿以棱镜划开白光，人类便以光谱之笔，书写对物质与宇宙的理解。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。

清华大学电子系方璐团队提出可重构计算光学成像架构，将物理分光限制转化为光子调制与重建过程。通过挖掘随机干涉掩膜与铌酸锂材料的电光重构特性，实现了高维光谱调制与高通量解调的协同计算，由此研制出亚埃米级高分辨光谱成像芯片“玉衡”。“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=12000）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。

图1.“玉衡”光谱成像芯片概念图

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2cm×2cm×0.5cm，在400-1000nm的宽光谱范围内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。“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。

图2.可重构计算光学成像架构

以天文观测为例，“玉衡”的快照式成像每秒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；未来可搭载于卫星，有望在数年内绘制出人类前所未见的宇宙光谱图景。

课题组正基于原理样片，加速工程化样机与系统级优化。2025年5月，方璐受邀在西班牙加那利天文研究所（IAC）讲座，“玉衡”在10.4m口径加那利大型望远镜（GTC）上进行测试应用，有望为暗物质、黑洞等基础物理前沿研究提供前所未有的新视野。

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，将以更小的体积、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。

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，于10月15日发表于《自然》（Nature）。

清华大学电子系与国研中心为论文第一单位，电子系教授方璐为论文通讯作者，国研中心姚志阳博士为论文第一作者。研究得到国家自然科学基金重大科研仪器项目及科学探索奖的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09591-x

供稿：电子系

编辑：李华山

审核：郭玲