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

近日（rì），《Nano Research》期刊以封麵形式發布（bù）了一篇光（guāng）譜儀綜（zōng）述文章，該文章對光譜儀的創新分類方法將在（zài）未（wèi）來對光（guāng）譜儀行（háng）業產生深遠影響，也為我們在光譜儀設計和製造思路上提供（gòng）了新的視角（jiǎo），這一視角可能（néng）直接啟發應（yīng）用於環境監測的光譜技術未來走向。

文章題目是《光譜儀設計中的波粒（lì）二象》（The Wave-Particle Duality of Light Manifested in Spectrometer Designs）。文章提出了普適的（de）光譜儀測光原理公式 I’=P[D[T[I]]]，其中I和I’分別是被測光譜和（hé）光譜儀的測量結果；T是光與光譜儀器件的相互作用（yòng）本質，根據原理被劃分為波動和粒子兩大類；D是檢測器的類型，如光子探測器、光電傳感器（qì）等；P是光譜儀的後處理過程，分為（wéi）直讀型、傅裏葉變換型、計算重構（gòu）型等（děng）。

該原理公式將現有光譜儀的分類方式（shì）納入（rù）並形成（chéng）了新（xīn）的較完整的係統分類體係，還創（chuàng）新地將（jiāng）光譜儀從基本的測光（guāng）原理層麵分為波動光譜儀（Wave-based spectrometers）和粒（lì）子光譜儀（Particle-based spectrometers）兩大類。波動（dòng）光譜儀涵蓋傳統棱（léng）鏡、光柵等器件通過折射、幹涉或混原理（如超（chāo）表麵（miàn）、無序結構、衍射重構等），完成（chéng）光譜測（cè）量，此類光譜儀已（yǐ）發展了超過300年（nián）。粒子光譜儀則是近10年內出現的，基於透過、吸收、發射、散射等方式，通過研究光（guāng）子與電子之間的相互作用完成光譜測量。

波動光譜儀經過數百年的發展，目前瓶頸已經非常（cháng）明顯：先，其（qí）能（néng）（如分（fèn）辨率、光通量）與光譜儀尺寸存在著難以調和的矛盾；同（tóng）時，波動光譜（pǔ）儀的能（néng）高度依賴於光學器件的（de）製造精度。精密光譜儀無法做到微（wēi）型化，而手持光譜儀很難做到（dào）高精度。粒子光譜儀，由（yóu）於直接借助材（cái）料中光子和電子的相互作用而進行光譜測量，整個測量過程與入射光的相位、偏振、入射角等傳統光學參數不相關，使得此類新型光譜儀在（zài）保持微型化的同時，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（lì）子光（guāng）譜儀的誕生，將快速改變目前光（guāng）譜測量（liàng）的基本範式，並有望（wàng）重塑世界光（guāng）譜研究格局。傳統光學儀器中使用的精密光學器件通常掌握在德國、日本、美國等少數國家手（shǒu）中，如光學玻璃領（lǐng）域的日（rì）本保穀光學（Hoya）、日本小原光學（Ohara）、德（dé）國肖特光學（Schott）；光柵領域的美國索雷博（Thorlabs）、日本堀場（Horiba）等。粒子光譜（pǔ）儀（yí）從光譜儀設計理念層麵進行了全新的顛覆，利用新材料（如量子點、黑磷、鈣鈦礦等（děng））中可（kě）調控能級直接與光子發生作（zuò）用的原理進（jìn）行光譜測量，將我國在新材料領域的（de）競爭優勢一定程度上延展到了光譜儀領域，在快速縮小精密光譜儀尺寸（cùn）的同（tóng）時，更大程（chéng）度地實現了科技自主。

未來，粒子光譜儀將在環境光學（xué）監（jiān）測領域產生多應用。空氣、水體（tǐ）中的各種成分，包括汙染（rǎn）物在內，都有其特征吸收光譜。通過設備對汙染物的（de）探測，可以精準確定（dìng）汙染物的成（chéng）分及含量，鐵（tiě）皮保溫這也（yě）是光學能為環境檢測提供支撐的原因所在。粒子光譜儀在環境光學監測（cè）領域（yù）的（de）應用，將更快速的（de）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（wèi）數據，未來的環境汙染物識別有望更準確更智能。

截至（zhì）2024年，環境監測行業市場（chǎng）規模（mó）約735.0億元，其中在線環境監測儀器行業市場規模約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（lái）仍處於穩步增長趨勢。大氣、水、土壤（rǎng）監測（cè）領域均不斷湧現新的光學監測技術，包括高（gāo）分辨率激光光譜技術、全時（shí）段汙染/溫室氣體（tǐ）超光譜斷層（céng）掃（sǎo）描技術等自主（zhǔ）可控技術，在國際國內均獲得廣泛關注。但需要關（guān）注的是，在（zài）已得（dé）到批量應用的波動光譜儀領域，高精度光柵、光電倍增管等精密光學元器件仍（réng）然普遍依賴進口，精密光譜器件的國產化和（hé）光譜測量技術的快速更新刻不容緩（huǎn）。

粒子（zǐ）光譜儀由於微型化、高精度的特點，相信能很快在環境光學監測領域廣，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。粒子光譜儀普遍沒有光柵（shān）等（děng）精（jīng）密（mì）轉動部件（jiàn），其現場（chǎng）針對不同溫（wēn）度、濕度的環境適應將顯著（zhe）優（yōu）於波動光譜（pǔ）儀。更加讓人振奮的是，粒子光譜儀的先驅：量子（zǐ）點光（guāng）譜傳感器，其誕生地就（jiù）在中國，並已廣泛應用於（yú）水（shuǐ）質監測行業。此（cǐ）類量子點光譜儀已在全國範圍內（nèi）地表水、汙水等不同水體中（zhōng）布設了數千台，可靠經（jīng）過多場（chǎng）景驗證，正處於快速廣（guǎng）期。量子點光譜傳感器的出現，啟發了鈣鈦礦光譜儀、納（nà）米線光譜儀等一批粒子光譜傳感技術，國內在這幾個領域的研究也基本處於國（guó）際領先地位。相信未來數年內，粒子光譜儀（yí）技術的獨特優勢及其在環境光學監測領域的應用前景將隨著這篇文章的發表而受到學（xué）界和業界的（de）更（gèng）廣泛關注，迎來新（xīn）一輪技術井噴。我們共同期待更多中國（guó）製造的粒子光（guāng）譜儀（yí）從實驗室中走向各（gè）行（háng）各業，期（qī）待更多環（huán）境光學工作者堅持科技創新與產業創新相結，勇擔（dān）自立自強新使命，走好科技強國新（xīn）征程。

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