上海交大施圣贤教授团队提出色散超构透镜光场高光谱高温测试技术

近日，上海交大机械与动力工程学院航空动力研究所施圣贤教授联合中国航发湖南动力机械研究所曾飞研究员、香港城市大学蔡定平教授，提出了一种基于色散超构透镜的光场高光谱辐射测温技术（DMT），为高温非接触微型测温仪提供了创新路径。研究成果“Dispersive Meta-lens Thermometry for High-temperature Measurements”发表在Nature Communications上。博士生何钰伦、硕士生黄明睿为论文共同第一作者，施圣贤教授、齐飞教授、曾飞研究员、蔡定平教授等担任共同作者。

基于色散超构透镜的光场高光谱辐射测温原理示意图

高温测量在热能系统性能评估与材料安全分析中具有重要意义，尤其在燃气轮机和航空发动机等先进动力装备中，其关键部件长期承受极端热负荷，高精度高温测量是开展叶片冷却效率和工作寿命精准评估的前提条件。例如，三菱J级燃气轮机透平进口温度高达1800K，超过高温合金熔点；航空发动机涡轮进口温度甚至逼近2400K，以满足更高功重比需求。辐射测温法因其非侵入式特点成为高温测量的理想选择。在多光谱辐射测温中，采集和分离宽光谱的辐射对于减轻背景辐射和未知发射率的影响至关重要，但基于传统厚透镜成像的技术路线，光学系统结构复杂、体积庞大等问题使其难以应用于燃气轮机和航空发动机等受限空间。而超薄、轻量化的超构透镜通过对纳米结构的精确设计，在微观尺度上调控波前，从而分离出宽光谱中的热辐射信息，是一种更具潜力的解决方案。

超透镜整体及扫描电镜图

不同方法温度重构结果

研究团队提出色散超构透镜测温技术，利用超构透镜在微观尺度上调控光场，将热辐射信号分离为宽谱成分，并将高光谱信息编码为压缩色散图像。通过结合传统凸优化方法与深度学习方法，实现从单张图像中重建至少21个光谱通道的温度信息。该技术在1673K~2973K范围内的测温误差低于0.32%，相较于传统微透镜阵列光场多光谱方法提升约6倍。

火焰冲击平板实验系统

火焰冲击平板实验系统与测量结果

为验证DMT系统对不同发射率材料及高温燃气干扰下的测温精度，团队设计了火焰冲击平板实验，选用氧化铝、氧化锆和碳化硅三种高温陶瓷材料，覆盖0.2至0.9的发射率范围。同时，采用Hencken燃烧器出口的稳态氢气射流火焰作为热源，DMT系统成功捕捉到平板表面的二维温度梯度分布，与热电偶测量结果相比误差普遍低于2%，展现出良好的鲁棒性与测量精度。

该研究不仅展示了超构透镜在高温测量中的重要价值，也为微型化、高集成度辐射测温仪研究奠定了基础，并有望应用于航空发动机/燃气轮机叶片及火焰筒等高温部件的温度监测和燃烧诊断。研究工作得到了国家自然科学基金、中国香港特别行政区大学教育资助委员会基金等项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65171-7?utm_source=rct_congratemailt&utm_medium=email&utm_campaign=oa_20251118&utm_content=10.1038/s41467-025-65171-7#article-info

作者： 航空动力研究所 供稿单位： 机械与动力工程学院