作者：中國科學院（yuàn）安徽光學精密機械研究所學術所（suǒ）長、中國科學技術大學環境（jìng）科學與光電技術學院院長 劉文清

近日，《Nano Research》期刊以封麵形式發（fā）布了一篇光譜儀綜述文章，該文章對（duì）光譜（pǔ）儀的創新性分類方法將在未來（lái）對光譜（pǔ）儀行業（yè）產（chǎn）生深遠影響，也（yě）為我們在光譜儀設計和製造思路上提供了新的視角，這一視角（jiǎo）可能直接啟發應用於環境監測（cè）的光譜技（jì）術未（wèi）來走向。

文章題目是《光譜儀設計（jì）中的波粒二象性》（The Wave-Particle Duality of Light Manifested in Spectrometer Designs）。文章提出（chū）了（le）普適性的光譜儀測光（guāng）原理公式 I’=P[D[T[I]]]，其中I和（hé）I’分別是被測光譜和光譜儀的測量結果；T是光與光譜儀（yí）器件的（de）相互作用本質，根據原理被劃分為波動性和（hé）粒子性兩大類；D是檢測器的類型，如光子探測器、光電傳感器等；P是光譜儀的後處理過程，分為直讀型、傅裏葉變換型、計算重構型等。

該原理公式將現有光譜儀的分類方式納入（rù）並形（xíng）成了新的較完整的係統（tǒng）性分類體係，還創新性地將光譜儀從基本的測光原理（lǐ）層麵分為波動（dòng）性光譜儀（Wave-based spectrometers）和粒子性光譜儀（Particle-based spectrometers）兩大類。波動性（xìng）光譜儀涵蓋傳統棱鏡、光柵等器件通過折射、幹涉或混（hún）合原理（如超表麵、無序結構、衍射重構（gòu）等（děng）），完成光譜測量，此類光譜儀已發展了超過300年。粒子性光譜儀則是（shì）近10年內出現的，基於（yú）透過、吸收（shōu）、發射、散射（shè）等方式，通（tōng）過研究光子與電子之間的相互作用完成光譜測量。

波動性光譜儀經過數百年的發展，目前瓶頸已經非常（cháng）明顯：首先，其性能（néng）（如分辨率、光通量）與光譜儀尺寸存在（zài）著難以調和的矛盾；同時，波動性光譜儀的性能（néng）高度依賴於光（guāng）學器件的製造精度。精密光譜儀無法做到微型化，而手持光譜儀很難做到高精度。粒子性光譜儀（yí），由於直接借助材料中光（guāng）子和電子的相互（hù）作用而（ér）進行光譜測量，整個測量過程（chéng）與入射光的相位、偏（piān）振（zhèn）、入射角等傳統光學參（cān）數不（bú）相關，使得（dé）此類新型（xíng）光譜儀在保（bǎo）持微型（xíng）化的同時，可實現高分辨率、寬測量範圍和高光通量光譜測量。

這些新型粒子（zǐ）性光（guāng）譜儀的誕生，將快速（sù）改變目前光譜測量的基本範式，並有望重塑世界光譜研（yán）究（jiū）格局。傳統光學儀器中使用的精密光（guāng）學器件通常掌握在德國、日本、美國等少數國家手中，如光學玻璃領域的日本保穀光學（Hoya）、日（rì）本（běn）小原光學（Ohara）、德（dé）國（guó）肖（xiāo）特光學（Schott）；光柵領域的美（měi）國索雷（léi）博（Thorlabs）、日本堀場（Horiba）等。粒子性光譜儀從光譜儀設計理念（niàn）層麵進行了全新的顛覆（fù），利用新材料（如量子點、黑磷、鈣鈦礦等）中可調控能級直接（jiē）與光（guāng）子發（fā）生作用（yòng）的原（yuán）理（lǐ）進行光譜測量，將我國在新材料領域的競爭優（yōu）勢一定（dìng）程度上延展到了光譜儀領域，在快速縮小精密光譜（pǔ）儀尺寸的同時，更大程度地實現了科技自主（zhǔ）。

未來，粒子性（xìng）光譜儀將在（zài）環境光學監測領域產生多應用。空氣、水體（tǐ）中的各種成分，包括汙染物在內，都有其特征吸收光譜。通過設備對汙染物的探測，可以精準確定汙染物的成分及含量，鐵皮保溫這也是光學能為環境檢測提供支撐的原因所在。粒（lì）子（zǐ）性（xìng）光譜儀在環（huán）境光學監測領域的應用，將更快速的充實環境汙染物（wù）光譜數據庫，為數據庫提供更多樣的原位數據，未來的環境汙染物識別有望更準確更智能。

截至2024年，環境（jìng）監測行業市場規模約735.0億元，其中在線環境監測儀器行業市（shì）場規模約264.73億元。隨著國家在數字基建、智慧環保領域的持續投入，環境市場監測規模未來仍處於穩（wěn）步增長趨勢。大氣、水、土壤（rǎng）監測領域均不斷（duàn）湧現新的（de）光學監測技術（shù），包括高分辨率激光光譜技術、全時段汙（wū）染/溫室氣體超（chāo）光譜斷層掃描（miáo）技術等自主可控技術，在國際國內均獲得廣泛（fàn）關注。但需要關注的是，在已得到批量應用的波動性光譜儀（yí）領域，高精度光柵、光電倍增管等精密（mì）光學元器件仍然普遍依賴進（jìn）口（kǒu），精密光譜器件的國產化和光譜測量技術的快速更新刻不容緩。

粒（lì）子性光譜（pǔ）儀由於微型化、高精度的（de）特（tè）點，相信能很快在環境光學（xué）監測（cè）領域推廣，並從光譜測量原理層麵深刻影響環境光學監測儀器發展創新。粒子性光（guāng）譜儀普（pǔ）遍（biàn）沒（méi）有光柵等精密（mì）轉動部件，其現場針對不同溫度、濕（shī）度的環境（jìng）適應性（xìng）將顯著優於波動性（xìng）光譜儀。更加讓人振奮的是，粒子性光譜儀的先驅：量子點光（guāng）譜傳（chuán）感器，其誕生地就在中國，並已廣泛應用於水質監測行業。此類量子點光譜儀已在全國範圍（wéi）內地表（biǎo）水、汙水等不同水體中布設了數千（qiān）台，可靠性經過多場景驗（yàn）證，正處於快速推廣期。量子點光譜傳感器的出（chū）現，啟發了鈣（gài）鈦礦光譜儀、納米線光譜儀等一批粒子性光譜傳感技術，國內在這幾（jǐ）個領域的研究也基本處於國際（jì）領先地位（wèi）。相信（xìn）未來數年內，粒子性光譜儀技術的（de）獨特優勢及其在環境光學（xué）監測領域的應用前景（jǐng）將隨（suí）著這篇文章的發表而受到（dào）學界和業界的更（gèng）廣泛關注，迎來新一輪技術井噴。我們共同期待更多中國製造的粒子性光譜儀從實驗室（shì）中走向各（gè）行各業，期待更多環境光學工作者（zhě）堅持（chí）科技創新與產業創新相結合，勇擔自立自強新使命，走好（hǎo）科技強國（guó）新征程。

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