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，在這一認知的指導之下，過去三百年，光譜學的發(fā)展在很大程度上被視為工程學的演進——更精的棱鏡、更大的光柵、更復雜的光路——而對“光與物質的本征關系”關注相對不足。

近期，清華大學電子系鮑捷教授團隊在材料科學領域國際知名期刊《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構，而是把問題帶回“光本身”的哲學與物理本原——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能級的相互作用方式——這正是重新理解光譜學的關鍵所在。光既是波，也是粒。如此一來，光譜技術的分類與設計，不應只基于器件幾何與光學構造，而應基于“光與物質如何相互作用”這一根本算子來重構。

論文中提出的普適公式I' = P(D(T(I)))，看似抽象，實則抓住了光譜測量的三層本質：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描述光與物質的相互作用，D代表探測器將交互結果映射為電信號的過程，P為數據反演與解碼算法。

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”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象的做法。折射、衍射、干涉，這些方法有一個共同特點：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。在大多數波基系統(tǒng)中，分辨率、譜寬、通量與體積之間存在工程性權衡——提升其中一項，往往需犧牲另一項。

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構——例如量子點、納米線、鈣鈦礦等——不同頻率的光子在材料內部會產生不同的量子響應，這種響應可以被設計成一種“編碼”。當你把海量微小編碼器（比如千萬級別的量子點單元）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生獨特的量子響應，這種指紋體現入射光頻率與材料局域能級結構之間的差異。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制，標志著光譜學從‘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在實驗室里、占據整桌子的光譜系統(tǒng)，縮小到可以嵌入便攜設備、無人機、水下監(jiān)測節(jié)點甚至是消費類產品的級別。

據介紹，作者在理論上系統(tǒng)闡明了粒子基的編碼機理，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，是科學價值的重要標志。此外，論文同時保持科學的嚴謹性——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際噪聲與非理想條件下的魯棒性。

對學術與產業(yè)應用而言，其價值尤為深遠。清華大學電子系鮑捷教授團隊一直致力于把實驗室級的物質檢測能力推向實用，這篇理論性極強的綜述恰恰為這一目標提供了學術層面的支撐：它證明了從原理上，基于量子點等材料的粒子編碼與重構方法具備把實驗室級能力帶出實驗室的邏輯可行性；它也為相關領域在技術路線選擇、研發(fā)資源配置、產業(yè)化節(jié)奏把控上提供了“理論底座”，再次證明鮑捷教授團隊不僅推動前沿探索，更是掌握著一套能夠主導未來光譜技術范式的原理性理解與實現路徑。

范式的改變往往不是一朝一夕，它需要材料學、器件工藝、算法工程、系統(tǒng)集成多方面長期協(xié)同推進。業(yè)內專家表示，現在的工作，是站在歷史拐點前的謀劃，而這篇論文，就是那份具有里程碑意義的學術宣言，期待鮑捷教授團隊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用。

來源：新華網