我国高分辨大宽带集成光子光谱仪成功实现天文观测

东苑

近日，中国科学院南京天文光学技术研究所天文光子学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方面取得新进展。

IT之家从文章获悉，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（图 1 所示），在 500 cm³ 量级体积内实现了超过 25000 的光谱分辨率和超过 180 nm 的工作带宽，并首次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。相关成果发表在学术期刊 Photonics Research 上（DOI : 10.1364/PRJ.582324）。



▲ 图 1 高分辨率大宽带集成芯片光谱仪系统的总体示意图
团队采用低损耗氮化硅平台完成了光谱芯片制备，芯片尺寸仅为 9.6 mm × 3.2 mm。系统集成后，整体光学组件体积小于 500 cm³，相比传统米级太阳光谱仪体积缩小超过三个数量级。实验结果表明，该集成光谱仪在工作范围内分辨本领整体超过 20000，在光谱中心附近最高达到约 26500，当前系统总光谱覆盖范围约为 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（图 2 所示）。



▲ 图 2 光谱分辨率和实测太阳光谱图
在天文观测验证方面，研究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（图 3 所示）。系统成功获取了近红外太阳吸收光谱，并清晰识别出位于 1564.85 nm 和 1565.29 nm 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（图 4 所示）。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，集成光子光谱仪不仅能够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。



▲ 图 3 定天镜系统和实测集成光子光谱仪系统


▲ 图 4 基于集成光子光谱仪测量的太阳近红外光谱
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显著优势。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。

研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省重点研发计划和中国科学院相关项目的支持。

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