清华大学成功研制全球首款亚埃米级快照光谱成像芯片“玉衡”

“玉衡”之名源自《尚书·舜典》“在璿玑玉衡，以齐七政”，古人以此校定日月星辰运行秩序，今人则以同名之芯，校衡光的频谱与宇宙的奥秘。

“玉衡”光谱成像芯片概念图

10月16日消息，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，成功研制出全球首款亚埃米级快照光谱成像芯片“玉衡”。这一成果标志着我国智能光子技术在高精度成像测量领域达到了新的高度，相关研究成果已在线发表于国际知名学术期刊《自然》（Nature），题为《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）。

突破传统瓶颈，实现技术飞跃

长期以来，传统光谱测量受限于物理分光采集与固化结构，光谱分辨率与成像通量之间存在难以兼顾的固有矛盾，成为光谱成像领域的长期技术瓶颈。

为破解这一难题，方璐教授团队基于智能光子原理，创新性地提出了“可重构计算光学成像架构”，将传统物理分光的限制转变为光子调制与计算重建的过程。通过深入研究随机干涉掩膜与铌酸锂材料的电光重构特性，团队实现了高维光谱调制与高通量解调的协同计算，最终成功研制出“玉衡”芯片。

可重构计算光学成像架构（图自清华大学）

“玉衡”芯片体积小巧，尺寸仅为约2厘米×2厘米×0.5厘米，却能在400—1000纳米的宽光谱范围内，实现亚埃米级光谱分辨率和千万像素级空间分辨率的快照光谱成像。该芯片能够在单次快照中同步获取全光谱与全空间信息，其快照光谱成像的分辨能力（R=12,000）较以往提升了两个数量级，成功突破了光谱分辨率与成像通量无法兼得的长期瓶颈。

应用前景广阔，推动多领域发展

方璐教授表示，“玉衡”芯片攻克了光谱成像系统在分辨率、效率与集成度方面的难题，具有广泛的应用前景。

在天文观测领域，“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。凭借其微型化设计，“玉衡”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，为暗物质、黑洞等基础物理前沿研究提供全新视野。

此外，“玉衡”芯片还可应用于机器智能、机载遥感等多个领域。在机器智能领域，高分辨率的光谱成像能够为物体识别、场景理解等任务提供更丰富的信息；在机载遥感领域，“玉衡”芯片则能够实现对地表的高精度、高效率光谱成像，为环境监测、资源勘探等提供有力支持。

科研团队不懈努力，创新成果获国际认可

方璐教授团队在智能光子领域的研究由来已久，此次“玉衡”芯片的成功研制是团队多年努力的结晶。该研究成果得到了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，完成单位为清华大学电子工程系与北京信息科学与技术国家研究中心。方璐教授为通讯作者，北京信息科学与技术国家研究中心姚志阳博士为第一作者。

国际学术界对“玉衡”芯片的研制成功给予了高度评价。相关研究成果在线发表于《自然》期刊，标志着我国智能光子技术在国际舞台上占据了重要地位。

随着“玉衡”芯片的研制成功，清华大学电子工程系方璐教授团队将继续深化研究，推动智能光子技术的持续革新。团队正基于原理样片，加速工程化样机与系统级优化，并计划在10.4米口径加那利大型望远镜（GTC）上进行测试应用。

2025年5月方璐（右三）团队访问加那利大型望远镜（图自清华大学）

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、天文科学等领域开拓新的光谱天地。

责编：Luffy