全球首款！清華玉衡芯片突破光譜成像數(shù)十年瓶頸，分辨率高100倍

光譜成像領(lǐng)域有個(gè)卡了幾十年的死結(jié)——想看清“顏色細(xì)節(jié)”，就拍不全畫(huà)面；想拍全畫(huà)面，細(xì)節(jié)又糊成一片。搞天文的測(cè)顆恒星光譜得等半天，做遙感的追個(gè)目標(biāo)得調(diào)好幾個(gè)小時(shí)參數(shù)。這個(gè)痛點(diǎn)，被我們中國(guó)科學(xué)家用一塊小芯片給治了。

過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，光譜成像領(lǐng)域像被施了“緊箍咒”：傳統(tǒng)技術(shù)靠物理分光，就像用篩子篩面粉——想篩出更細(xì)的粉（高光譜分辨率），就得換更小的篩孔，結(jié)果每次只能篩一點(diǎn)點(diǎn)（成像通量低）；想多篩點(diǎn)粉，篩孔就得變大，細(xì)節(jié)就沒(méi)了。這導(dǎo)致光譜儀又大又笨，用在天文觀測(cè)上，測(cè)銀河系千億顆恒星的光譜得花數(shù)千年；用在遙感衛(wèi)星上，連個(gè)小目標(biāo)的“顏色密碼”都抓不全。全世界科學(xué)家都在找破局辦法，一直沒(méi)能有突破，直到清華大學(xué)方璐教授團(tuán)隊(duì)出手了。

他們沒(méi)走“物理分光”的老路子，而是玩了把“計(jì)算光學(xué)”的新花樣——提出可重構(gòu)計(jì)算光學(xué)成像架構(gòu)，把傳統(tǒng)的“篩面粉”變成“用不同篩網(wǎng)組合，一次算出所有粉粒”。具體來(lái)說(shuō)，團(tuán)隊(duì)挖了鈮酸鋰材料的“電光重構(gòu)”特性，就像給芯片裝了個(gè)“智能濾鏡”，能快速切換不同的干涉圖案，再通過(guò)算法把這些圖案“拼”出高維光譜信息。

打個(gè)比方，傳統(tǒng)光譜儀是拿固定鏡頭拍100張照片再拼，“玉衡”是拿100個(gè)動(dòng)態(tài)鏡頭同時(shí)拍一張，直接算出所有細(xì)節(jié)。就這么一塊2厘米×2厘米×0.5厘米的小芯片，在400—1000納米的寬光譜范圍里，既能看清亞埃米級(jí)（頭發(fā)絲的百萬(wàn)分之一）的光譜細(xì)節(jié)，又能同時(shí)拍下千萬(wàn)像素的畫(huà)面，徹底打破了“分辨率和通量不能兼得”的死局。

這一突破，直接讓中國(guó)在高精度光譜成像領(lǐng)域位列世界的先進(jìn)行列。按《自然》論文的數(shù)據(jù)，“玉衡”的快照光譜成像分辨能力比傳統(tǒng)技術(shù)高了100倍，體積卻小到能塞進(jìn)衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)甚至手機(jī)。

以前，天文觀測(cè)要“普查”銀河系千億顆恒星的光譜，得花數(shù)千年，現(xiàn)在有了“玉衡”，十年內(nèi)就能干完；機(jī)載遙感追個(gè)森林火災(zāi)，以前得來(lái)回飛好幾圈，現(xiàn)在“咔嚓”一張快照，連每片樹(shù)葉的燃燒溫度都能精準(zhǔn)捕捉。再有，未來(lái)智能機(jī)器人識(shí)別物體、醫(yī)療設(shè)備測(cè)細(xì)胞成分，甚至手機(jī)拍張照就能分析食物營(yíng)養(yǎng)——這些以前得靠大機(jī)器的事兒，小芯片都能搞定。

從被“卡脖子”到全球領(lǐng)先，這不是天上掉的餡餅，是中國(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里“磨”出來(lái)的硬功夫。方璐團(tuán)隊(duì)用了整整五年，從材料特性挖到算法重構(gòu)，把“不可能”變成“玉衡”。這不僅是一塊芯片的突破，更是中國(guó)在智能光子領(lǐng)域“從0到1”的跨越。

在這里，也向每一位默默攻堅(jiān)的科研人致敬，正是因?yàn)樗麄兊摹八揽摹本瘢屛覀冸x更智能的未來(lái)，又近了一大步。