近日，清華大學(xué)電子系鮑捷教授團(tuán)隊(duì)在材料科學(xué)領(lǐng)域國(guó)際知名期刊《Nano Research》發(fā)表題為《The Wave-Particle Duality of Light Manifested in Spectrometer Designs》的論文。該研究以光的波粒二象性這一基礎(chǔ)物理原理為切入點(diǎn)，系統(tǒng)概述了基于波動(dòng)性和粒子基的兩類(lèi)光譜檢測(cè)技術(shù)的原理、實(shí)現(xiàn)路徑、核心特性、性能表現(xiàn)及應(yīng)用拓展，為光譜技術(shù)的創(chuàng)新演進(jìn)提供了新的理論視角。
光的波粒二象性雖已被認(rèn)知百年，但傳統(tǒng)光譜測(cè)量技術(shù)主要建立在光的波動(dòng)性基礎(chǔ)之上。論文指出，這種依賴(lài)于光相位、偏振及復(fù)雜長(zhǎng)光路系統(tǒng)的“波基”范式，使傳統(tǒng)光譜儀在追求高性能時(shí)，難以兼顧設(shè)備小型化與成本控制，限制了其在現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)等復(fù)雜場(chǎng)景下的廣泛應(yīng)用。
研究創(chuàng)新性地從原理層面，將光譜技術(shù)劃分為“波基”與“粒子基”兩大并行范式。其中，“粒子基”范式通過(guò)光子與量子點(diǎn)、納米結(jié)構(gòu)等敏感材料直接發(fā)生本征相互作用來(lái)編碼光譜信息，從物理機(jī)制上擺脫了對(duì)傳統(tǒng)波動(dòng)性特征的依賴(lài)。這一原理性突破，為在實(shí)現(xiàn)高分辨率、寬光譜范圍和高通量的同時(shí)，大幅縮小設(shè)備體積、提升其堅(jiān)固性與環(huán)境適應(yīng)性提供了可能。
研究從原理層面系統(tǒng)將光譜技術(shù)劃分為“波基”與“粒子基”兩大并行范式，其中粒子基范式通過(guò)光子與量子點(diǎn)、納米結(jié)構(gòu)等敏感材料的本征相互作用直接編碼光譜信息，從物理機(jī)制上擺脫了對(duì)入射光相位、偏振及復(fù)雜長(zhǎng)光路系統(tǒng)的依賴(lài)。這一原理性突破，有望讓光譜儀在追求高分辨率、寬光譜范圍和高通量的同時(shí)兼顧設(shè)備小型化、堅(jiān)固性與成本控制，為破解傳統(tǒng)技術(shù)核心矛盾提供了新思路。
該理論探索已成功走向產(chǎn)業(yè)實(shí)踐。基于粒子基技術(shù)路徑，鮑捷教授團(tuán)隊(duì)研制出量子點(diǎn)光譜傳感芯片及一體化微型監(jiān)測(cè)設(shè)備，將傳統(tǒng)大型光譜儀的尺寸縮小至手機(jī)攝像頭級(jí)別，體積僅為原來(lái)的千分之一，并在提升光通量、通道數(shù)及環(huán)境適應(yīng)性的同時(shí)，保持了穩(wěn)定的光譜分辨能力。
以此核心技術(shù)為支撐，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的芯禹系列水環(huán)境監(jiān)測(cè)終端及智慧監(jiān)管系統(tǒng)，已構(gòu)建起從實(shí)時(shí)感知到智能決策的完整解決方案。目前，該體系已在全國(guó)二十余個(gè)省市得到應(yīng)用，服務(wù)于地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)、排水管網(wǎng)診斷等場(chǎng)景，有力支撐了“長(zhǎng)江大保護(hù)”等國(guó)家重大戰(zhàn)略工程。相關(guān)技術(shù)裝備亦入選住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部先進(jìn)適用技術(shù)與產(chǎn)品目錄，獲得國(guó)家層面的認(rèn)可。
前沿基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)實(shí)踐的深度融合，正成為技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。本篇論文系統(tǒng)厘清了光譜技術(shù)兩大范式的發(fā)展脈絡(luò)，覆蓋原理、路徑與特性等關(guān)鍵維度，不僅為領(lǐng)域研究提供了系統(tǒng)的學(xué)術(shù)梳理，也為產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
以粒子基范式為代表的新一代光譜技術(shù)，其應(yīng)用邊界正從實(shí)驗(yàn)室拓展至環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)視覺(jué)、生命健康、消費(fèi)電子等諸多領(lǐng)域，并在光譜成像等方向展現(xiàn)出廣闊潛力。鮑捷教授團(tuán)隊(duì)表示，將繼續(xù)深化前沿探索與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化工作，推動(dòng)智能感知技術(shù)迭代，協(xié)同行業(yè)伙伴拓展應(yīng)用場(chǎng)景，為各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展提供有力的光譜感知支撐。
編輯：李華山
