让光谱仪变小变强：清华大学团队从波粒二象性找到答案

近日，清华大学电子系鲍捷教授团队在材料科学领域国际知名期刊《Nano Research》发表题为《The Wave-Particle Duality of Light Manifested in Spectrometer Designs》的论文。该研究以光的波粒二象性这一基础物理原理为切入点，系统概述了基于波动性和粒子基的两类光谱检测技术的原理、实现路径、核心特性、性能表现及应用拓展，为光谱技术的创新演进提供了新的理论视角。

光的波粒二象性虽已被认知百年，但传统光谱测量技术主要建立在光的波动性基础之上。论文指出，这种依赖于光相位、偏振及复杂长光路系统的“波基”范式，使传统光谱仪在追求高性能时，难以兼顾设备小型化与成本控制，限制了其在现场快速检测等复杂场景下的广泛应用。

研究创新性地从原理层面，将光谱技术划分为“波基”与“粒子基”两大并行范式。其中，“粒子基”范式通过光子与量子点、纳米结构等敏感材料直接发生本征相互作用来编码光谱信息，从物理机制上摆脱了对传统波动性特征的依赖。这一原理性突破，为在实现高分辨率、宽光谱范围和高通量的同时，大幅缩小设备体积、提升其坚固性与环境适应性提供了可能。

研究从原理层面系统将光谱技术划分为“波基”与“粒子基”两大并行范式，其中粒子基范式通过光子与量子点、纳米结构等敏感材料的本征相互作用直接编码光谱信息，从物理机制上摆脱了对入射光相位、偏振及复杂长光路系统的依赖。这一原理性突破，有望让光谱仪在追求高分辨率、宽光谱范围和高通量的同时兼顾设备小型化、坚固性与成本控制，为破解传统技术核心矛盾提供了新思路。

该理论探索已成功走向产业实践。基于粒子基技术路径，鲍捷教授团队研制出量子点光谱传感芯片及一体化微型监测设备，将传统大型光谱仪的尺寸缩小至手机摄像头级别，体积仅为原来的千分之一，并在提升光通量、通道数及环境适应性的同时，保持了稳定的光谱分辨能力。

以此核心技术为支撑，团队开发的芯禹系列水环境监测终端及智慧监管系统，已构建起从实时感知到智能决策的完整解决方案。目前，该体系已在全国二十余个省市得到应用，服务于地表水水质监测、排水管网诊断等场景，有力支撑了“长江大保护”等国家重大战略工程。相关技术装备亦入选住房和城乡建设部先进适用技术与产品目录，获得国家层面的认可。

前沿基础研究与产业实践的深度融合，正成为技术创新的关键驱动力。本篇论文系统厘清了光谱技术两大范式的发展脉络，覆盖原理、路径与特性等关键维度，不仅为领域研究提供了系统的学术梳理，也为产业技术升级奠定了坚实的理论基础。

以粒子基范式为代表的新一代光谱技术，其应用边界正从实验室拓展至环境监测、工业视觉、生命健康、消费电子等诸多领域，并在光谱成像等方向展现出广阔潜力。鲍捷教授团队表示，将继续深化前沿探索与产业转化工作，推动智能感知技术迭代，协同行业伙伴拓展应用场景，为各行业数字化转型与可持续发展提供有力的光谱感知支撑。