高分辨大宽带集成光子光谱仪成功实现天文观测
文章导读
当你还在想象天文望远镜必须庞大如建筑、笨重到难以移动时，中科院团队刚刚把一台能看清太阳磁场的高精光谱仪，塞进了不到500立方厘米的盒子里。传统设备体积缩小了上千倍，却意外实现了超25000的惊人分辨率和180nm宽带观测，甚至成功捕捉到了太阳近红外磁敏感谱线。这不仅是尺寸的突破，更是观测逻辑的重塑：当仪器小到可以随意部署在卫星或偏远台站，那些过去因成本高昂而放弃的“多目标”与“空间载荷”任务将如何被重新定义？
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近日，中国科学院南京天文光学技术研究所研究团队，在面向天文观测的高分辨大宽带集成光子光谱仪研究中取得进展。团队提出并实现了一种基于级联相位调制波导阵列芯片与正交色散模块相结合的混合色散集成光子光谱仪，在500cm3量级体积内实现了超25000的光谱分辨率和超过180nm的工作带宽，并利用高分辨集成光子光谱仪实现了近红外太阳夫琅禾费线观测。
团队采用低损耗氮化硅平台完成了光谱芯片制备，芯片尺寸仅9.6mm×3.2mm。系统集成后，整体光学组件体积小于500cm3，相比传统米级太阳光谱仪体积缩小超三个数量级。实验结果表明，该集成光谱仪在工作范围内分辨本领超20000，在光谱中心附近最高可达约26500，当前系统总光谱覆盖范围约180nm。通过优化成像光学系统和采用更大面阵探测器，未来工作带宽有望进一步拓展至数百纳米。
在天文观测验证方面，团队利用定天镜系统将太阳光引入实验室，并通过物镜耦合至单模光纤后输入光谱芯片。系统获取了近红外太阳吸收光谱，并清晰识别出位于1564.85nm和1565.29nm的Fe I太阳夫琅禾费吸收线，同时观测到多条邻近H2O吸收特征。这两条Fe I谱线是太阳物理研究中重要的近红外磁敏感谱线，常用于太阳磁场反演和塞曼分裂诊断。该结果表明，集成光子光谱仪可完成实验室条件下的高分辨光谱测量，也具备面向真实天文观测场景的应用潜力。
该研究证明了高分辨率、大带宽、高精度和小型化可以在集成光子光谱仪中同时实现。与传统高分辨天文光谱仪相比，该系统在体积、可复制性和模块化扩展方面具有明显优势。未来，该技术有望进一步应用于多目标光谱观测、积分视场光谱仪以及空间平台小型化高分辨光谱载荷。
相关研究成果发表在《光子学研究》（Photonics Research）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、中国科学院等的支持。
高分辨率大宽带集成芯片光谱仪系统的总体示意图
光谱分辨率和实测太阳光谱图
定天镜系统和实测集成光子光谱仪系统
基于集成光子光谱仪测量的太阳近红外光谱
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