高分辨率大寬帶集成芯片光譜儀系統(tǒng)的總體示意圖

近日，中科院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所研究團隊在面向天文觀測的高分辨大寬帶集成光子光譜儀研究中取得進展。研究團隊提出并實現(xiàn)了一種基于級聯(lián)相位調(diào)制波導(dǎo)陣列芯片與正交色散模塊相結(jié)合的混合色散集成光子光譜儀，在500cm3量級體積內(nèi)實現(xiàn)了超25000的光譜分辨率和超過180nm的工作帶寬，并利用高分辨集成光子光譜儀實現(xiàn)了近紅外太陽夫瑯禾費線觀測。相關(guān)研究成果以“High-resolution broadband integrated spectrograph for astronomical observation”為題，發(fā)表在近期《光子學(xué)研究》(Photonics Research)上。

研究團隊采用低損耗氮化硅平臺完成了光譜芯片制備，芯片尺寸僅9.6mm×3.2mm。系統(tǒng)集成后，整體光學(xué)組件體積小于500cm3，相比傳統(tǒng)米級太陽光譜儀體積縮小超三個數(shù)量級。實驗結(jié)果表明，該集成光譜儀在工作范圍內(nèi)分辨本領(lǐng)超20000，在光譜中心附近最高可達約26500，當前系統(tǒng)總光譜覆蓋范圍約180nm。通過優(yōu)化成像光學(xué)系統(tǒng)和采用更大面陣探測器，未來工作帶寬有望進一步拓展至數(shù)百納米。

定天鏡系統(tǒng)和實測集成光子光譜儀系統(tǒng)

在天文觀測驗證方面，團隊利用定天鏡系統(tǒng)將太陽光引入實驗室，并通過物鏡耦合至單模光纖后輸入光譜芯片。系統(tǒng)獲取了近紅外太陽吸收光譜，并清晰識別出位于1564.85nm和1565.29nm的Fe I太陽夫瑯禾費吸收線，同時觀測到多條鄰近H2O吸收特征。這兩條Fe I譜線是太陽物理研究中重要的近紅外磁敏感譜線，常用于太陽磁場反演和塞曼分裂診斷。該結(jié)果表明，集成光子光譜儀可完成實驗室條件下的高分辨光譜測量，也具備面向真實天文觀測場景的應(yīng)用潛力。

該研究證明了高分辨率、大帶寬、高精度和小型化可以在集成光子光譜儀中同時實現(xiàn)。與傳統(tǒng)高分辨天文光譜儀相比，該系統(tǒng)在體積、可復(fù)制性和模塊化擴展方面具有明顯優(yōu)勢。未來，該技術(shù)有望進一步應(yīng)用于多目標光譜觀測、積分視場光譜儀以及空間平臺小型化高分辨光譜載荷。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院等的支持。

審核編輯 黃宇