从波粒二象性出发，清华鲍捷教授团队推动光谱仪实现范式跃迁

背景介绍

光具有波粒二象性，这一概念已提出百年。但现代光谱测量仍植根于光的波动性，通过折射、衍射、干涉等波动现象，在空间或时间维度上“拆分”光谱。这套成熟的“波动范式”成就卓著，却也面临着一个与生俱来的根本性矛盾：高性能（高分辨率、宽光谱范围）必然依赖于长的光程与复杂的光路，导致设备体积庞大、成本高昂。这一“尺寸-性能”困局，长期制约着光谱仪的微型化与集成化应用。那么，光的粒子性，是否蕴藏着破局之道？光子与物质的微观相互作用，能否为下一代光谱技术开辟一条全新的物理路径？随着量子点、钙钛矿等新型纳米光子学材料的兴起，以量子点光谱仪为标志，这种基于光的粒子性的探测方案正从理论走向现实，成为打破百年技术范式、实现高性能微型光谱仪的革命性思路。

成果简介

近日，清华大学电子工程系鲍捷课题组在《Nano Research》上发表了一篇题为“The wave-particle duality of light manifested in spectrometer designs”的综述，并被选为期刊封面文章。该综述首次以光的波粒二象性为核心框架，建立了光谱仪技术的统一范式分类体系，系统划分并深刻阐释了光谱仪基于光波动性与粒子性的两大发展路径，为未来高性能微型光谱仪的设计绘制了清晰的“导航图”。

研究团队指出，传统光谱仪几乎都属于“波动范式”。无论是棱镜、光栅，还是复杂的法布里-珀罗干涉腔、傅里叶变换光谱仪，其核心都是利用光的相位变化和干涉叠加，在空间或时间上分离不同波长的光。这一范式精度高、动态范围大，但其性能严重依赖于光学结构的物理尺寸（如光程长度），导致高精度与小型化之间存在着难以调和的矛盾。

综述系统阐述了“粒子范式”如何突破这一“尺寸-性能”困局。该范式不再将光视为连续的波来“拆分”，而是利用光子与物质的离散相互作用（如透射、吸收、发射与散射）来“编码”光谱。其开创性工作，正是鲍捷于2015年首次发表于《Nature》的量子点光谱仪。该技术利用不同尺寸量子点对光子的宽带响应差异，将整个入射光谱一次性编码为阵列化的电信号，再通过先进的重建算法“解码”，逆向重建出完整光谱。

这项工作的核心贡献在于，它从原理上实现了光谱仪性能与尺寸的解耦。在粒子范式中，光谱分辨率不再受制于物理光程，而是取决于编码材料的响应多样性（“硬件”）与重建算法的智能程度（“软件”）。这意味着，在毫米乃至微米尺度的芯片上，实现高性能探测成为可能。

最后，综述对未来光谱仪的发展作出前瞻性展望。“波粒融合”或将成为重要的范式突破方向，通过结合波动式的高精度控制与粒子式的高效编码能力，有望为微型光谱仪的性能优化开辟新的路径。

图文导读

图 1波动式与粒子式光谱仪发展演化树。

展现了光谱仪自17世纪棱镜分光至今的技术演进脉络。蓝色树枝代表基于光波动性的传统光谱仪体系（折射、干涉与混合机制），绿色新枝象征基于光粒子性的光谱仪新范式（透射、吸收机制）。

图 2光谱仪的分类框架与主要原理。

系统划分和展示了波动式、粒子式和融合式光谱仪的物理机制。波动式光谱仪主要依靠折射、干涉等波动原理工作；粒子式光谱仪则基于光子的透射、吸收、发射和散射等微观过程；融合式光谱仪则结合了波动性与粒子性两类原理。

作者简介

鲍捷，清华大学电子工程系博士生导师、独立PI，国家高层次人才，国家重点项目首席科学家。长期从事纳米光电子材料与技术、新型信息器件、计算光学与计算成像、光神经网络与光计算、智能传感与先进仪器、光谱技术及其应用等领域研究，致力于推进光谱信息学发展及多行业多领域光谱信息化智能化。

文章信息

Zhao D, Dai C, Zheng Y, et al. The wave-particle duality of light manifested in spectrometer designs. Nano Research, 2026, 19(2): 94908135.