中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

面向现代天文学中高分辨光谱观测、大规模光谱巡天以及空间载荷小型化的发展需求，传统天文光谱仪在实现高分辨率与宽波段覆盖的同时，普遍面临体积庞大、结构复杂、系统稳定性要求高以及工程扩展困难等问题。集成光子学的发展为新型天文光谱仪的小型化、高稳定性与可复制部署提供了新的技术路径。本文围绕面向天文应用的高分辨高集成度芯片光谱仪开展系统研究，旨在探索兼顾高分辨能力、大宽带获取、高集成度与高稳定性的芯片光谱实现方法，并推动芯片光谱仪由器件级验证向系统集成与应用和高复用体系扩展发展。在此基础上，本文建立了面向器件设计、系统实现与误差补偿的理论分析框架。
围绕高分辨波导阵列光谱芯片的实现问题，本文研究了基于级联相位调制的高分辨波导阵列结构，建立了阵列输出模型，分析了幅度误差、相位误差及系统参数扰动对光谱形成质量的影响规律。完成了高分辨波导阵列芯片的设计、制备与实验验证，实测光谱分辨率达到68,000。针对高分辨芯片在实际测量中存在的低对比度问题，进一步开展了高对比度光谱重构研究，将光谱对比度提高到20 dB。围绕限制器件性能提升的通道级相位误差问题，本文进一步研究了基于空间光调制器的相位误差检测与补偿方法，并结合随机并行梯度下降算法实现闭环优化，使输出光谱对比度由4.7 dB提升到9.3 dB，从而建立了由高分辨芯片实现、低对比度光谱恢复到通道级误差补偿验证的完整研究链条。
围绕高分辨与大宽带兼顾的天文应用需求，本文进一步研究了高分辨大宽带芯片光谱系统。针对阵列型芯片自由光谱范围有限以及宽带条件下多级次谱线组织复杂的问题，构建了由高分辨波导阵列芯片与正交色散模块组成的混合色散芯片光谱系统，并围绕芯片结构优化、二维光谱展开关系、系统定标及成像性能开展研究。所构建系统总体体积小于500 cm³，在保持紧凑化优势的同时实现了超过20,000的整体光谱分辨率和180 nm的总光谱覆盖带宽。进一步搭建太阳近红外光谱观测系统并开展实测，成功分辨出1564.85 nm和1565.29 nm两条太阳 Fe I 吸收线，同时识别出邻近波段 H₂O 吸收特征。相关结果验证了该系统在真实观测条件下的宽带谱线获取、波长标定与高分辨谱线识别能力。太阳近红外光谱实测结果表明，该系统具备由实验室验证走向真实天文观测应用的潜力。
在高集成度和高复用度扩展方面，本文进一步研究了正交色散集成与多目标探测架构。针对传统混合色散系统仍依赖片外自由空间正交色散链路的问题，研究了正交色散集成相位阵列型光谱芯片，分析了片上光栅结构在色散效率、级次分离和背景抑制方面的性能特征，并探索了适用于高分辨阵列芯片的片上正交色散实现路径。在此基础上，面向多目标观测和积分视场应用需求，进一步设计了基于芯片堆叠与模块复用的高集成芯片光谱体系架构，并对其关键参数与性能进行了分析。结果表明，该架构具备支持10层芯片堆叠和100个目标并行观测的潜力；面向850 nm波段，可形成分辨率85,000、单目标覆盖带宽约10 nm的高分辨芯片光谱方案。上述研究为芯片光谱仪向高集成、高复用、多目标和积分视场架构发展提供了新的实现思路。
综上，本文围绕高分辨高集成度芯片光谱仪，系统开展了理论建模、器件设计、系统实现、误差补偿及体系扩展研究，形成了由高分辨芯片实现、大宽带系统验证到高集成架构拓展的完整研究链条。本文提出并实验验证了面向天文观测的高分辨大宽带混合正交色散芯片光谱系统，建立了通道级相位误差高精度检测与补偿方法，并拓展了片上正交色散、多目标与积分视场芯片光谱体系。相关研究为天文光谱仪向小型化、高稳定性、高复用度和可扩展方向发展提供了理论基础和实验支撑，也为集成光子学器件在太阳物理、恒星光谱测量以及未来空间天文和大规模光谱巡天中的应用奠定了基础。