“玉衡”芯片：为宇宙光谱按下“快进键”，开启洞察万物新纪元 | 光锥读论文

一片比指甲盖略大的透明芯片，却能在一瞬间捕捉数千颗恒星独一无二的“光谱指纹”，揭开宇宙与物质的深层奥秘。

10月15日，国际顶级学术期刊《Nature》在线发表了题为Integrated lithium niobate photonics for sub-ångström snapshot spectroscopy的论文，清华大学电子工程系方璐教授领导的研究团队，成功研制出全球首款集成铌酸锂光子芯片“玉衡”，实现了亚埃米级分辨率的快照光谱成像。

这项名为“RAFAEL”的技术，一举解决了高光谱成像领域长期存在的核心矛盾，为从天文观测到日常生活的众多领域，装上了一双能瞬间看透万物本质的“火眼金睛”。

可重构计算光学成像架构

光谱测量的“鱼与熊掌”

自从牛顿用三棱镜将阳光分解成七色彩虹，人类就明白，光里隐藏着关于物质构成的密码。这种密码就是光谱——光在不同颜色下的强度分布，如同每个人的指纹一样独一无二。

科学家通过分析物质的光谱，能知晓遥远恒星的成分，检测食物的新鲜度，甚至诊断疾病的早期信号。然而，传统的光谱测量技术始终面临一个根本性困境：要想看得更精细，就必须牺牲速度和亮度。就像在黑暗中观察一幅极其精细的画卷：如果你想看清每个微小的细节，就只能举着一根极细的光纤，一点点地缓慢扫描——过程漫长，且因为进光量太小，图像暗淡不清。

如同通过一条狭窄的隧道观察整个世界，无法同时看到广阔的视野和精细的细节。这个矛盾，严重制约了科学家探索宇宙和微观世界的步伐。

中国方案：一片芯片的“乾坤挪移”

面对这道难题，清华大学团队选择了一条与众不同的路径。她们不再执着于改进传统的“分光”物理结构，而是巧妙地利用了一种特殊晶体——铌酸锂的电光特性，实现了“物理调制”与“智能计算”的完美融合。

研究团队将铌酸锂薄膜加工成具有随机表面起伏的“三维掩膜”，并将其与普通的手机摄像头芯片集成。这片神奇的薄膜，相当于为每个像素点都配备了一个微型的、可调节的“智能棱镜”。

当光线穿过它时，会根据施加电压的不同，发生千变万化的调制。最终，海量的光谱信息被压缩成一幅二维灰度图像，再通过团队独创的人工智能算法“PSAIR”精准地还原出来。

这项被称为 “RAFAEL” 的技术，其核心芯片被赋予了一个充满东方智慧的名字——“玉衡”，它源自《尚书·舜典》中的“在璿玑玉衡，以齐七政”，寓意着如同北斗七星中的玉衡星校定星辰秩序一样，校衡光的频谱，理清宇宙的奥秘。

“玉衡”光谱成像芯片概念图

性能飞跃：从“管中窥豹”到“一目了然”

“玉衡”虽小，性能却达到了前所未有的高度。它在400-1000纳米的宽光谱范围内，实现了三大突破：

极致精细：光谱分辨率高达0.5埃。埃是一个极小的长度单位，约为百亿分之一米。0.5埃的分辨率，意味着能分辨出原子间化学键能级的细微变化，足以捕捉恒星光谱中最微弱的吸收线。

极高效率：总光学透过率超过73%。相比传统技术为了高分辨率而将透光率牺牲到0.02%以下，“玉衡”让绝大部分光线得以通过，成像明亮、信噪比极高。

极快速度：支持88帧/秒的快照式成像。它无需扫描，单次曝光就能捕获整个场景完整的光谱信息，彻底告别了“慢工出细活”的时代。

与现有最先进的光谱成像仪相比，“玉衡”在光谱分辨能力上提升了近两个数量级，透光率则提升了数十倍，实现了“既快又亮，既广又精”的完美统一。

应用前景：从浩瀚宇宙到寻常生活

这项突破性技术的应用场景，几乎无处不在：

革新天文观测：一次快照，即可捕获视场内5600颗恒星的全波段光谱。团队在青海冷湖镇的实验中，使用普通短焦镜头，在700毫秒内就完成了对超过2000颗恒星的光谱成像。这将把对银河系千亿颗恒星的光谱巡天计划，从理论上需要的数千年大幅缩短至数年之内，为研究暗物质、黑洞等前沿课题打开新的窗口。

赋能机器视觉：在自动驾驶领域，现有的RGB摄像头难以区分颜色相近但材质不同的物体。而“玉衡”能轻易分辨出真实树叶与塑料假叶的光谱差异，极大地提升了识别准确率和安全性。

守护食品安全与医疗健康：可以快速检测水果的甜度、食品的新鲜度，甚至通过分析皮肤光谱，为早期疾病诊断提供无创、快速的筛查工具。

这枚承载着古人之思与现代之智的“玉衡”芯片，即将搭载于大型天文望远镜，直面宇宙最深处的秘密。它不仅仅是一枚芯片，更是一把全新的钥匙，正准备为我们开启一扇洞察万物本质的新大门。正如方璐教授所展望的，这项技术“将打破感知边界，为从材料科学到天体物理的前沿研究带来实质性推进。”

编辑：吴欧

论文信息

发布期刊Nature

发布时间2025年10月16日

论文标题Integrated lithium niobate photonics for sub-ångström snapshot spectroscopy

(DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09591-x）