回歸光的本源：波粒二象性如何重塑光譜技術(shù)的未來

許多人以為“光譜”只是把光拆成彩虹那樣的顏色，然后讀出哪個成分多、哪個成分少，在這一認(rèn)知的指導(dǎo)之下，過去三百年，光譜學(xué)的發(fā)展在很大程度上被視為工程學(xué)的演進(jìn)——更精的棱鏡、更大的光柵、更復(fù)雜的光路——而對“光與物質(zhì)的本征關(guān)系”關(guān)注相對不足。

近期，清華大學(xué)電子系鮑捷教授團(tuán)隊(duì)在材料科學(xué)領(lǐng)域國際知名期刊《Nano Research》上的論文指出，真正重要的不是又換了一個更好的器件結(jié)構(gòu)，而是把問題帶回“光本身”的哲學(xué)與物理本原——光的波動性決定空間分布與干涉特性，而光的粒子性決定它與物質(zhì)能級的相互作用方式——這正是重新理解光譜學(xué)的關(guān)鍵所在。光既是波，也是粒。如此一來，光譜技術(shù)的分類與設(shè)計(jì)，不應(yīng)只基于器件幾何與光學(xué)構(gòu)造，而應(yīng)基于“光與物質(zhì)如何相互作用”這一根本算子來重構(gòu)。

論文中提出的普適公式I' = P(D(T(I)))，看似抽象，實(shí)則抓住了光譜測量的三層本質(zhì)：入射光 I、光與材料交互的算子 T、傳感映射 D，以及最后把測得信號反演成有意義光譜的算法 P。T描述光與物質(zhì)的相互作用，D代表探測器將交互結(jié)果映射為電信號的過程，P為數(shù)據(jù)反演與解碼算法。

把這些層次理清之后，有兩件事立刻變得顯而易見：第一，我們可以按照“相互作用 T 的物理本質(zhì)”來區(qū)分不同類型的光譜儀；第二，我們能看到傳統(tǒng)“波基”方法的極限和“粒子基”方法的可能。

什么叫波基？波基就是我們熟悉的那些依賴波動現(xiàn)象的做法。折射、衍射、干涉，這些方法有一個共同特點(diǎn)：它們通過操縱相位、路徑差或空間頻譜來分解頻率。因此，要追求高分辨率，常常需要更長的光路、更精密的準(zhǔn)直、更大的器件，這就造成了一個長期困擾：分辨率、譜寬、通量與體積之間難以兩全。在大多數(shù)波基系統(tǒng)中，分辨率、譜寬、通量與體積之間存在工程性權(quán)衡——提升其中一項(xiàng)，往往需犧牲另一項(xiàng)。

而粒子基范式提出的是完全不同的途徑：不是去依賴光的空間波動特征，而是去利用光子與材料之間“如何被吸收、散射、發(fā)射或重排”的直接相互作用。換句話說，借助材料本身的電子能帶結(jié)構(gòu)——例如量子點(diǎn)、納米線、鈣鈦礦等——不同頻率的光子在材料內(nèi)部會產(chǎn)生不同的量子響應(yīng)，這種響應(yīng)可以被設(shè)計(jì)成一種“編碼”。當(dāng)你把海量微小編碼器（比如千萬級別的量子點(diǎn)單元）放在一個毫米級芯片上時，每個入射頻率成分都會在材料編碼器陣列上產(chǎn)生獨(dú)特的量子響應(yīng)，這種指紋體現(xiàn)入射光頻率與材料局域能級結(jié)構(gòu)之間的差異。最終，重建算法把這些指紋解碼回原始光譜。

這種由材料完成頻率分辨、由算法完成光譜重建的機(jī)制，標(biāo)志著光譜學(xué)從‘光路分光’邁向‘材料分光’的新階段，這就帶來了革命性的優(yōu)勢：高分辨率不再依賴于長光路；寬譜范圍可以在同一器件上覆蓋；高通量不再與體積成反比。更重要的是，這個思路天然適合微型化和集成化，能夠把原本只能出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室里、占據(jù)整桌子的光譜系統(tǒng)，縮小到可以嵌入便攜設(shè)備、無人機(jī)、水下監(jiān)測節(jié)點(diǎn)甚至是消費(fèi)類產(chǎn)品的級別。

據(jù)介紹，作者在理論上系統(tǒng)闡明了粒子基的編碼機(jī)理，并把“材料-編碼-算法”作為一個完整的工程閉環(huán)來看待，這種從原理到工程的貫通，是科學(xué)價值的重要標(biāo)志。此外，論文同時保持科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性——并非全盤樂觀，它也明確指出目前的瓶頸在于編碼器的一致性、材料制備的穩(wěn)定性以及重建算法在實(shí)際噪聲與非理想條件下的魯棒性。

對學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用而言，其價值尤為深遠(yuǎn)。清華大學(xué)電子系鮑捷教授團(tuán)隊(duì)一直致力于把實(shí)驗(yàn)室級的物質(zhì)檢測能力推向?qū)嵱茫@篇理論性極強(qiáng)的綜述恰恰為這一目標(biāo)提供了學(xué)術(shù)層面的支撐：它證明了從原理上，基于量子點(diǎn)等材料的粒子編碼與重構(gòu)方法具備把實(shí)驗(yàn)室級能力帶出實(shí)驗(yàn)室的邏輯可行性；它也為相關(guān)領(lǐng)域在技術(shù)路線選擇、研發(fā)資源配置、產(chǎn)業(yè)化節(jié)奏把控上提供了“理論底座”，再次證明鮑捷教授團(tuán)隊(duì)不僅推動前沿探索，更是掌握著一套能夠主導(dǎo)未來光譜技術(shù)范式的原理性理解與實(shí)現(xiàn)路徑。

范式的改變往往不是一朝一夕，它需要材料學(xué)、器件工藝、算法工程、系統(tǒng)集成多方面長期協(xié)同推進(jìn)。業(yè)內(nèi)專家表示，現(xiàn)在的工作，是站在歷史拐點(diǎn)前的謀劃，而這篇論文，就是那份具有里程碑意義的學(xué)術(shù)宣言，期待鮑捷教授團(tuán)隊(duì)將這一原理性突破持續(xù)推向更深入的研究與更廣泛的應(yīng)用。

來源：新華網(wǎng)