光谱信息学十年：国家自然科学基金资助视角下的热点与趋势

光谱信息学十年：国家自然科学基金资助视角下的热点与趋势

近日，《中国激光》刊载了一篇来自国家自然科学基金视角的调研论文，该文结合2014-2023年期间光谱信息领域项目资助情况，进行了关键词热词分析，梳理了我国光谱技术的发展现状和面临的挑战，并从基金委的角度展望了光谱信息领域的未来发展方向。

光谱技术多维交响：构建多彩光学世界

光谱学研究光与物质的相互作用及微观粒子运动，广泛应用于物质鉴别、成分分析、精密测量和动态监测。自1666年牛顿分解光谱以来，光谱学经历了从实验观察到理论构建，再到跨学科应用的发展。20世纪后半叶，光学、电子学和激光技术的突破使光谱技术在分辨率、灵敏度和检测速度上取得显著进展，催生了傅里叶变换光谱、激光光谱和光频梳光谱等新技术，成为现代分析的关键工具。

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术

通过高能激光烧蚀样品产生等离子体，利用光谱仪检测其辐射光谱，实现元素的定性与定量分析。其优点是多元素同时检测，操作简便，且适用于固、液、气态样品。与传统纳秒LIBS相比，飞秒LIBS因脉冲更短、峰值更高，显著减弱基体效应，提升测量精度和探测灵敏度，进一步拓展了其应用前景。

拉曼光谱技术

通过分子振动和转动引起的散射变化，提供独特的“指纹”结构信息。传统方法因散射强度低和瑞利干扰而受限，而激光技术的应用极大推动了其发展。现有的激光拉曼技术包括傅里叶变换、显微共焦、表面增强及共振增强拉曼光谱。其中，显微共焦显著提升了空间分辨率，表面增强大幅提高了信号强度，共振增强则增强了检测的灵敏度和选择性。

超快光谱技术

利用超短脉冲激光研究物理、化学和生物的瞬态过程，如激发态辐射、电子-空穴对分离与复合等，这些过程通常在亚皮秒内发生。传统光谱因探测器响应时间限制，无法进行此类研究。超短脉冲激光器的出现使时间分辨率缩短至飞秒甚至亚飞秒级。常用技术包括飞秒泵浦-探测法和荧光上转换技术等。

光频梳光谱学技术

光频梳由等时飞秒激光脉冲构成，频域呈等间隔梳齿。具有宽频谱和高精度，广泛应用于时间计量、光谱测量等领域。近年来技术取得重大突破，已用于气体检测、疾病诊断等。未来发展方向包括光源小型化、拓展中远红外波段及结合非线性光谱技术以提升探测性能。

太赫兹光谱技术及应用

太赫兹（THz）位于微波与远红外之间，频率0.1至10 THz，具有生物安全、高穿透性和独特指纹光谱。主要技术包括太赫兹时域光谱（THz-TDS）、时间分辨光谱及激光发射光谱。THz-TDS利用超短激光脉冲生成太赫兹脉冲，获取电场信息。近年来，太赫兹双光频梳光谱（THz-DCS）凭借宽光谱和高精度，在精密分析、测距及频率计量中展现巨大潜力，适用于气体传感和分子分析，应用前景广阔。

成像光谱技术

于20世纪70年代末兴起，结合高空间与光谱分辨，能同时获取目标的空间和光谱信息，广泛应用于地形测绘、环境监测等领域。主要分为色散型、干涉型和计算层析型。色散型利用棱镜或光栅分光；干涉型通过干涉强度及傅里叶变换实现高分辨；计算层析型采用层析算法高效重建光谱数据。这些技术显著提升了光谱测量的效率和精度。

超光谱、高光谱与多光谱技术

结合成像与光谱，获取多维信息。超光谱包含几十至上百紧密波段，具有高光谱分辨率，适合精细物质探测；高光谱拥有几十到一百多个波段，波段间距较大，适合大规模监测；多光谱使用少数波段（几至十几个），适用于低分辨场景。高光谱数据形成三维“光谱立方体”，在资源探测、环境监测和灾害预警等方面具有重要价值。

光谱诊断技术成为基金资助热点

自然基金的资助情况反映了当前学术研究的热点与重点。2014-2023年期间，F0507代码下光谱信息领域的重点项目、重大研究计划、重大仪器项目、国际合作项目、应急项目、面上项目、青年科学基金及地区科学基金共资助418项项目，总金额达27296.24万元（图1）。

图1 2014-2023年F0507代码下各研究方向资助情况

其中，“光谱诊断技术”、“超光谱、高光谱与多光谱技术”及“新型光谱技术”三大研究方向占据了近60%的资助比例，显示出这些领域的研究热度和重要性。从资助数量来看，“光谱诊断技术”和“新型光谱技术”是获得资助数量最多的两个研究方向，所获资助数量占比超过50%（图2），与资助金额比例基本一致。

图2 2014-2023年F0507代码下各研究方向资助金额和数量占比情况

重点项目资助情况及分析

重点项目旨在支持突破科学前沿瓶颈的基础研究，促进学科发展。2017至2023年度，F0507代码下资助了6项重点项目，涵盖“超快光谱学”、“光频梳光谱学”、“光谱成像”及“太赫兹光声光谱”等领域。本文对这6个重点项目的关键词进行了词频分析，并通过热词词云展示关键词的出现频率（图3）。

图3 2017-2023年F0507代码下重点项目的关键词词云

分析显示，“光频梳”是最频繁出现的关键词，反映了其在光谱技术中的研究重点。光频梳光谱技术近年来基于异步光学采样的双光梳技术迅速发展，具备高速与高精度特性，广泛应用于气体分析、原子光谱测量及指纹谱建立等领域。其关键指标包括分辨率、灵敏度、测量范围及时间，尽管在这些方面具备优势，但由于工作原理限制，难以同时达到最优。

为扩展测量范围，研究者采用非线性变频技术，拓宽了光频梳的应用波段，尤其在深紫外、中远红外和太赫兹波段，推动了多波段光频梳技术的发展。此外，现有双光梳光谱无法测量非线性过程。多维相干光谱技术通过四波混频检测线宽、多体相互作用和共振耦合等现象，提供双光梳无法获得的二维信息。实现多维相干光谱的关键在于微腔光梳和多光梳相干性的提升，成为光频梳光谱的研究方向。

重大科研仪器研制项目资助情况

2014至2023年，F0507代码下共资助12项国家重大科研仪器研制项目，总金额达到8411.18万元。其中，“超快光谱技术”、“太赫兹光谱技术及应用”、“新型光谱技术”及“成像光谱技术”各资助1项，金额分别为781.78万元、667.2万元、565万元及669.19万元；“光谱诊断技术”和“光频梳光谱学技术”各资助2项，金额分别为1659万元和1538.5万元；“超光谱、高光谱与多光谱技术”资助4项，金额为2530.51万元，占总资助金额的30%。

重大科研仪器项目注重具有明确应用需求的关键科学技术研究和仪器样机的集成化研制，旨在为相关应用的突破奠定基础。通过对12项重大仪器项目的关键词词频分析（图4），词云图显示“飞秒激光”出现频率最高。飞秒激光以其高强度、单色性、相干性及超快特性，极大推动了多种新型光谱技术的发展，如激光诱导击穿光谱、拉曼光谱、超快光谱及光频梳光谱等。

图4 2014-2023年F0507代码下重大仪器项目的关键词词云

现代光谱技术的提升依赖于激光的强度、频率和线宽等指标。例如，表面增强拉曼光谱通过高强度激光在金属表面增强局域电场，抑制荧光干扰并提高拉曼信号，提升灵敏度；共振拉曼光谱利用激光窄线宽和可调频率增加跃迁几率，从而增强灵敏度；共聚焦显微拉曼光谱结合显微成像，实现光谱与图像的同步获取，广泛应用于科学研究。

激光诱导击穿光谱技术的精度和灵敏度仍有提升空间，当前研究集中在增强信号强度、提高信噪比及探测极限方面，信号强度与激光烧蚀强度成正比。基于频率梳的光谱技术依赖模式锁定的脉冲激光系统生成稳定光频梳，需锁定激光重复频率和载波相位。双光梳光谱的分辨率受重复频率限制，降低频率可提高分辨率，但在低频率下实现精密锁定和稳定运行仍面临挑战。

面上项目和青年科学基金资助情况

2014-2023年F05代码下F0507面上项目的科学基金资助金额和资助数量情况如图5。在F0507二级代码下，共资助了144项面上基金项目，资助金额达 8539万元。

图5 2014-2023年F0507代码下面上项目各研究方向资助情况

2014-2023年F05代码下F0507青年科学基金项目资助金额和资助数量情况如图6。在F0507二级代码下，共资助了201项青年科学基金项目，资助金额达5158万元。

图6 2014-2023年F0507代码下青年项目各研究方向资助情况

在上述144项面上项目和201项青年项目中，“拉曼光谱”、“激光诱导击穿光谱”和“表面增强拉曼光谱”出现频率较高（图7）。资助方向主要集中在光谱诊断技术和新型光谱技术。光谱诊断技术用于材料分析、组分识别、食药检测及环境监测；新型光谱技术通过创新设计、先进算法和新材料推动光谱分析进步。基础研究中，拉曼光谱和激光诱导击穿光谱是最广泛应用的光谱检测方法，相关性能提升研究也围绕这两种方法展开。

图7 2014-2023年F0507代码下面上和青年项目关键词词云

光谱技术未来突破：创新方法、器件自主与智能化发展是关键

光谱信息技术的未来发展方向可以从我国近十年来国家自然科学基金的资助情况中窥见一斑。随着科学技术的进步，光谱技术在多个领域的应用需求日益增加，面临着新的挑战和机遇，主要发展方向包括以下几个方面：

光谱测量分析的新原理与新方法的研究至关重要

传统光谱技术在化学分析、环境监测等领域具有高灵敏度和快速分析的优势，但面对基体效应、光谱范围局限和海量数据处理等问题，亟需新原理的突破。例如，基于异步光学采样的双光梳光谱技术可以提供更高精度的测量，拓展了光谱技术的应用范围。随着光谱技术的不断发展，新的测量方法应提高分辨率、灵敏度及稳定性，并扩展应用领域，尤其是在生物医学、精准医疗和环境监测方面。

核心器件的自主可控及供应链的完善是光谱技术发展的关键

近年来，国内在光源、光栅和探测器等领域取得了显著进展，但在某些核心器件上仍依赖进口，影响了技术的自主创新。高稳定性短脉冲光源、雪崩光电二极管探测器等高性能器件的研发仍是提高光谱技术性能的重点。

光谱仪器的微型化、便携化发展已成为重要趋势

随着纳米技术、芯片技术和光学微腔技术的进步，光谱仪器逐步实现低功耗、高集成和高稳定性，推动了便携式设备的普及。这使得光谱技术在环境监测、医学诊断等领域具有更广泛的应用前景，尤其是在野外检测和极端环境下的应用。

光谱信息智能化处理的新趋势正在成为研究的重点

传统的数据处理方法在面对复杂环境中的光谱数据时效率较低，人工智能技术，如域适应、零样本学习和多模态学习，将成为解决这些问题的关键。AI技术的应用能够提升光谱数据的处理能力，推动光谱仪器的智能化发展，并促进跨领域、跨行业的广泛应用。

总结与展望

光谱信息技术凭借高分辨率、灵敏度和无污染等优势，广泛应用于物质分析、成分检测及生物监测等领域。我国光谱技术研究重点集中在激光诱导击穿光谱、拉曼光谱、超快光谱、光频梳光谱和太赫兹光谱等领域，并取得了显著进展。尽管如此，光谱技术仍面临提升分辨率、灵敏度和降低检测限的挑战。新型技术的出现，如超快光谱和光频梳光谱，使得对亚皮秒物理化学变化的研究以及高精度光谱测量成为可能。

未来的研究将进一步探索光谱测量的新原理与方法，推动微观尺度和极端条件下的光谱分析；同时，核心器件的自主研发和供应链的完善将成为技术发展的关键，解决“卡脖子”问题是实现技术自主可控的重要一步。此外，光谱仪器的微型化、便携化和智能化趋势日益明显，推动光谱技术从实验室向实际应用领域扩展，特别是在环境监测、医疗诊断和工业生产等领域，具有广泛的应用前景。