冬至为什么烧纸

出品：科普中国

作者：海里的咸鱼（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）

监制：中国科普博览

在某些科幻作品中，我们会看到这样的设定：主角戴上特殊眼镜，眼前的景象瞬间焕然一新，原本空无一物的空气中浮现出隐藏在不可见光中的秘密世界。

如今，这种想象正被中国科学家变为现实——中国科学技术大学生命科学与医学部和合肥微尺度物质科学国家研究中心薛天/马玉乾团队，工程科学学院龚兴龙/王胜团队，复旦大学化学系张凡团队，以及国际科研机构合作，开发出了一款特殊的隐形眼镜，可将近红外光转化为可见光，从而使得人眼间接地感知红外线。

红外线及其传统感知方法

眼睛是人类获取外界信息的重要器官，通过接收光线来认知世界的形貌。本质上，光线是一种电磁波，而电磁波在我们的日常生活中无处不在：太阳光、微波炉中加热食物的微波、WIFI信号都是电磁波的不同表现形式。这些电磁波最主要的区别特征就是它们的波长差异。

然而在自然界丰富多样的光线中，只有特定波长范围的光才能被人眼所感知。人眼能够感知波长在400-700纳米之间的电磁波，处在这一范围的电磁波称为可见光。并且，不同波长的可见光会被人眼识别为不同颜色。

而超出这个范围，波长在700-2500纳米的电磁波虽然无法被人眼感知，但它却大有用处——这就是红外线。自然界的所有物体都在向外发出这个波段的电磁波，其具体波长与物体温度密切相关。正是基于这一特性，我们可以借助仪器“看见”红外线呈现的世界。例如在漆黑的夜晚，没有可见光，但周围景物依然会发出红外线，红外夜视仪正是通过探测这些红外线，具备了夜间观察的功能。

电磁波和可见光波谱

（图片来源：中国科学技术大学官网）

感知红外线的关键：巧妙利用上转换发光现象

要想了解可以“看见”红外线的隐形眼镜原理，首先需要知道电磁波是什么？电磁波可以看作是由光子组成，其波长越短，对应的光子能量也就越高。红外线的波长比可见光要长，红外线的光子能量比可见光的光子能量要低。这种能量差异催生了两种截然不同的光学现象：荧光现象和上转换发光。

无论是自然界还是生活中，荧光现象都十分普遍，例如发光的水母、荧光笔等。究其本质，其实是这些物质吸收了高能量的光，释放出低能量的光。与之相反，上转换发光现象则是将低能量的长波辐射转化为高能量的短波发光，这一过程就能把“不可见的光线”魔术般地变成“可见的色彩”。

研究团队巧妙利用这一原理，在设计隐形眼镜时添加了上转换纳米颗粒，使得低能量红外线光子摇身一变，成为能量更高的可见光光子。

具体而言，这些掺杂了稀土元素的纳米颗粒，能够连续吸收两个或多个红外线光子，再释放出一个可见光子。把能量比喻为水，光子比喻为接水的桶，上转换过程相当于用一个大桶（可见光子），接了两个或者更多小桶（红外光子）的水，最终把小桶中的水融合在了一起。这一过程无需提供额外的能量，并且纳米颗粒能够很好地融合在制作隐形眼睛的材料中。

可红外夜视的隐形眼镜原理，将不同波长的红外线转换为不同颜色的可见光，可见光被人眼感知，人眼间接有了感知红外线的能力

（图片来源：参考文献[1]）

上转换发光技术的多样应用：医疗革新与防伪升级

除了赋予人眼近红外视觉能力，上转换效应在其它领域的应用潜能也非常大。

一是医疗领域。光动力治疗是一种基于光敏药物的治疗方法：药物在特定波长的光照射下，会产生活性氧，从而诱导细胞死亡。光敏药物一般需要可见光或者能量更高的紫外光。然而，在治疗体内肿瘤时，这两种光对人体的穿透能力比较弱。更关键的是，紫外光还会对正常的细胞造成伤害。

在这种情况下，上转换纳米粒子提供了理想的解决方案：光敏药物结合上转换粒子，激发光源就可以使用红外光，红外光穿透能力比较强，而且不对人体本身的细胞造成伤害。上转换材料在吸收红外光后转换出可见光，再激发光敏药物，最终杀死肿瘤细胞。这种方法不仅能够精确控制光敏药物的激活位置，还显著提升了治疗效果。

二是防伪技术领域。当前，人们使用手机支付的频率大大提高，收到假钞的风险也随之降低，曾经使用紫外灯照射纸钞验证真假的场景也变得少见了。然而，商品的仿制和伪造现象依然存在。当今世界，假冒商品的贸易收入是有组织犯罪收入的第二大来源。

传统防伪技术中使用的荧光油墨在紫外光的照射下会立即发出可见光，但这一技术早已被破解，逐渐失效。相比之下，上转换发光材料展现出独特的优势，不仅可以调配发光的颜色，还能设置特定的激发光源，仿制难度极大，因此常被用于高端药品包装、奢侈品标签等领域。

这项突破性的“光谱视觉增强器”技术，不仅让科幻中的“夜视隐形眼镜”成为现实，更为人类打开了感知世界的新维度。从科幻到现实，科技的每一次飞跃都在重塑人类的认知边界。戴上这副特殊的隐形眼镜，我们看到的不仅是红外光，更是科学与想象碰撞出的无限可能。

参考文献：

[1]陈宝玖, et al. 用于防伪标签的发光材料研究进展 (特邀). ACTA PHOTONICA SINICA 51.8 (2022): 0851504-0851504.

[2]花景田, et al. 稀土掺杂材料的上转换发光. 中国光学与应用光学 3.4 (2010): 301-309.

[3]郑晓鹏, 田甘, and 谷战军. 荧光上转换纳米材料在光动力学治疗癌症中的应用. 中国肿瘤临床 41.1 (2020): 27-31.

[4]Ma, Yuqian, et al. Near-infrared spatiotemporal color vision in humans enabled by upconversion contact lenses. Cell (2025).