作（zuò）者：中國（guó）科學院（yuàn）安徽光學精（jīng）密機械研究所學術所長、中國科學（xué）技術大學環境科學（xué）與光電技術學院（yuàn）院長 劉（liú）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（gāi）文章對光（guāng）譜儀的創新分類方法將在未來（lái）對光譜儀行業產生深遠影響，也為我（wǒ）們在光譜（pǔ）儀設計和製造思路上提供了（le）新的視角（jiǎo），這一視（shì）角（jiǎo）可（kě）能直接啟發應用於環境（jìng）監測的光譜技術未來走向。

文章題目是《光（guāng）譜儀設計中的波粒二象》（The Wave-Particle Duality of Light Manifested in Spectrometer Designs）。文章提出了普適的光（guāng）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（yí）器件的相互作用本質，根據原（yuán）理被（bèi）劃分為（wéi）波（bō）動和粒（lì）子兩大類；D是檢測器的類型（xíng），如（rú）光子探測器、光電傳感（gǎn）器等；P是光譜儀的後處理過程，分為直（zhí）讀型、傅裏葉變換型（xíng）、計算重構型等。

該原理公式（shì）將現（xiàn）有光譜儀的分類方式納入並形成了（le）新的（de）較完（wán）整的係（xì）統分類體係，還創新地（dì）將光譜儀從基本的測光原理層麵分為波動光譜儀（Wave-based spectrometers）和粒子光譜儀（Particle-based spectrometers）兩大類（lèi）。波動光譜儀涵蓋（gài）傳（chuán）統（tǒng）棱鏡、光柵等器件通過折射、幹涉或混原理（如（rú）超表麵、無序結構、衍射重構等），完成光譜測量，此類光譜儀已發展了超過300年。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（hù）作用完成光譜（pǔ）測量。

波動光（guāng）譜儀經（jīng）過數百年的發展（zhǎn），目前瓶頸已經（jīng）非常明顯：先，其能（如分辨率、光通量）與光譜儀尺寸（cùn）存在著難以調和的矛盾；同時，波動（dòng）光譜儀的能高度依賴於光學器件的製造精度。精密光譜儀無法做到微型化，而手持光譜儀很（hěn）難做到高（gāo）精度。粒子（zǐ）光譜儀，由於直接借助材料中光子和電子的相互作用而進行光譜測量，整個測量過（guò）程與入射光的相位、偏振、入射角（jiǎo）等（děng）傳統光學參數不相關，使（shǐ）得此（cǐ）類新型（xíng）光譜儀在保持微型化的同時，可實現高分辨率、寬測量範圍和高光通量光（guāng）譜測量。

這些新型粒子光（guāng）譜儀的（de）誕（dàn）生，將快速改變目前光譜測量的基本範式，並（bìng）有望（wàng）重塑世界光譜研究格局。傳統光（guāng）學儀器中使用的（de）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，如光學玻璃領域的日（rì）本保穀光學（Hoya）、日本（běn）小原光學（Ohara）、德國肖特光學（Schott）；光柵領域的美國索雷（léi）博（Thorlabs）、日本堀場（Horiba）等。粒子光譜儀從光（guāng）譜儀設計理念層（céng）麵進（jìn）行了全新（xīn）的顛覆，利用新材料（如量（liàng）子點、黑磷、鈣鈦礦等）中（zhōng）可（kě）調控能級直接（jiē）與光（guāng）子發生作用的原（yuán）理進行光譜測量（liàng），將我國在新材料領域的競爭優勢一定程度上延展到了光譜儀領域，在快（kuài）速縮小精密光譜儀尺寸的同時，更大程度（dù）地實現了科技自主。

未來，粒子光譜儀將在環境光學（xué）監測領（lǐng）域產生多應用。空氣、水體中的各種成分（fèn），包括汙染（rǎn）物（wù）在（zài）內，都有其特征吸收光譜。通過設備對汙（wū）染物的探測，可以精準確（què）定汙染（rǎn）物的成分及（jí）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。粒子光譜儀在環境（jìng）光學監測領域的應用，將更快速的充實（shí）環境汙染物光譜數據庫，為數據庫提供更多樣（yàng）的原位數（shù）據，未來的環境汙染物（wù）識別有望更準確更智（zhì）能。

截（jié）至2024年，環境監測行（háng）業市場規模約735.0億元（yuán），其中在線環境監測（cè）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（jiān）測規模未來仍（réng）處於穩（wěn）步增長（zhǎng）趨勢。大氣、水、土壤監測領域均不斷湧現新的光學監測技術（shù），包括（kuò）高分辨率激光光譜技術、全時段汙染/溫室氣體超（chāo）光譜斷層掃描技術（shù）等自主可控技術，在國際國（guó）內均獲得（dé）廣泛關注（zhù）。但需要關注的是，在已得到批量應用的波動光譜儀領域（yù），高精度光柵（shān）、光電倍增管等精密光學元器件仍然普遍依賴進口，精密光譜器件的國（guó）產化和光譜測量技術的（de）快速更新刻不容緩。

粒子光譜（pǔ）儀由於微型化、高精度的特點，相信能很快在環境光學監測（cè）領域廣，並從光譜測量原理層麵深刻影響環境光（guāng）學監（jiān）測儀器發展創新。粒（lì）子光（guāng）譜儀普遍沒有光柵等精密轉動部件，其現場針對不同溫度、濕度（dù）的環（huán）境適應將顯著（zhe）優於（yú）波動光譜儀。更加讓人振（zhèn）奮的是，粒子光譜儀的先驅：量子點光譜傳感器，其誕生地就在中國，並（bìng）已廣泛應用於水質監測行業。此類（lèi）量子點（diǎn）光譜儀已在全國範圍內地表水、汙水等不同水體中布設了數千台，可靠經過多（duō）場景驗證，正處於快速廣期。量子點光譜（pǔ）傳感器（qì）的出現，啟發了鈣鈦礦光譜儀、納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際領先地位。相信未來（lái）數年內，粒子光譜儀技術的獨特優勢（shì）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界和業界的更廣（guǎng）泛關注（zhù），迎來新一輪技術井噴。我們共同期待更多中國製造的粒子光譜儀從實驗室中走（zǒu）向（xiàng）各行各業，期待更（gèng）多環境（jìng）光學工作者堅持科技創新與產業創新相結，勇擔自立自強新使命，走好科技強（qiáng）國新征程。

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