布里渊光散射（BLS）
布里渊光散射（BLS）介绍
布里渊光散射（BLS）是一种光学表征技术，用于评估材料的力学性能、自旋相关转移现象及自旋波传播特性。该技术基于光与介质中物质波发生的非弹性散射的基本原理。在固体物理领域，布里渊光散射表现为电磁波与晶格波（或准粒子）的相互作用，这类准粒子包括负责声学相互作用的声子、主导自旋波相互作用的磁振子，以及表征电子-晶格耦合的极化子。
布里渊光散射的过程中，若准粒子被吸收，光子能量会升高；若准粒子产生，光子能量则降低。通过检测散射过程中准粒子的能量、波长与频率，从而获得材料在频域中的动态特性信息 1。
布里渊光散射的应用领域广泛，主要包括：
自旋电子学研究与自旋波动力学
- 研究自旋相关转移现象、自旋流行为以及自旋波传播特性（含磁振子-声子相互作用、线性与非线性动力学、磁子玻色-爱因斯坦凝聚现象）2。
材料学研究
医学应用
- 评估异质性组织与系统的黏弹性，如眼部组织（角膜的老化、水合状态及退行性变化均会影响布里渊频移）5。
基于星载布里渊散射激光雷达的广域远程传感与监测技术
另有两种光学散射现象容易与布里渊光散射混淆，即瑞利散射与拉曼散射。瑞利散射为弹性散射，仅涉及随机的非相干波动过程；而布里渊散射具有周期性和相干的机制。
拉曼散射是一种非弹性散射过程，其光子散射源于一阶邻近原子间化学键的振动与转动能级跃迁；而布里渊光散射则是由大尺度低频声子引起的光子散射现象。下表对布里渊光散射、瑞利散射及拉曼散射的差异进行了比较 8 5：
| 瑞利散射 | 拉曼散射 | 布里渊光散射 | |
|---|---|---|---|
| 相互作用机制 | 光与微小粒子或不均匀介质发生弹性散射，无能量偏移→散射强度高 | 光与声子或分子振动发生非弹性散射，散射频移处于太赫兹波段→散射强度弱 | 光与准粒子发生非弹性散射，散射频移处于GHz波段→散射强度极弱 |
| 测量与应用 | 粒径与形貌分析、折射率波动检测、大气光学研究（如激光雷达） | 光学光子研究，生物材料无标记化学成像、分子组成与化学键分析、分子结构及振动模式表征（借助拉曼光谱仪或干涉仪） | 声子特性研究、材料黏弹性表征（借助法布里-珀罗干涉仪或外差探测技术） |
时序电子学在布里渊光散射（BLS）中的作用
图2. 布里渊光散射实验装置示意图：由信号发生器触发激光脉冲并实现系统同步；入射光穿透样品后，分别收集由体声子散射及基底表面反射光引起的散射光信号。。散射光经串联式多通法布里-珀罗干涉仪滤波后，由单光子探测器检测。探测器输出的脉冲信号通过时间数字转换器完成时间标记，最终传输至计算机进行分析。
在典型的布里渊光散射实验中，通常采用波长为532 nm的单色连续波激光作为探测光源，聚焦于样品表面以研究光与物质的相互作用。散射光可分为弹性散射（瑞利散射）与非弹性散射（布里渊散射），后者蕴含材料内部激发态信息。背向散射光经分束器导入串联式法布里-珀罗干涉仪（TFPI），该干涉仪作为光学滤波器，用于分析光与磁振子、光子与声子的相互作用产生的频移特征。
时间数字转换器同步采集三类信号数据：用于系统同步的序列发生器产生的触发信号、串联式法布里-珀罗干涉仪内置的光子探测器的输出脉冲，以及编码干涉仪当前状态的控制信号，进而重构光谱的时间演化特性。通过分析散射光的频移特性，科学家能够表征材料中存在的声子与磁子行为 2 9。
传统时序电子设备在布里渊光散射（BLS）应用中的常见问题
在布里渊光散射实验装置中，传统时序电子设备容易引发以下问题：
- 同步与实验控制效率低： 编程难度大、灵活性差的电子学器件，在实现激发脉冲与探测同步的同步时操作繁琐，多光源联用场景下该问题更为突出。
- 输入通道受限： 通道数量不足，或仅为“起始”、“停止”信号设计专用输入通道的时序电子学设备，无法实现多信号同步采集，导致实验灵活性不足，装置难以拓展。
- 时间分辨率低： 无法实时捕捉超快自旋波与声子的动力学过程。
- 数据吞吐速率慢： 数据传输速度不足，在高数据率检测场景下尤为受限。
Swabian Instruments - 施瓦本仪器®针对布里渊光散射（BLS）的专属解决方案
Swabian Instruments - 施瓦本仪器®的设备可有效助力布里渊光散射实验的开展，核心优势如下：
灵活的行程编码编程方式可使脉冲发生器Pulse Streamer方便快速地生成实验控制与系统同步所需的各类信号。
多个全等效独立通道的时间数字转换器Time Tagger，具备多通道采集能力，支持多通道数据的无缝采集与实时并行实验。
皮秒级时间分辨率，可实现高精度的时间分辨布里渊光散射检测与超快动力学研究。脉冲发生器Pulse Streamer的低抖动信号生成特性，可实现对实验装置各组件的高效控制，同时Time Tagger的低抖动（低至1.5 ps）可实现光子探测信号的高精度采集。
高持续数据率： 提供适用于MATLAB、Python、LabVIEW、C++等主流编程语言的应用程序接口（API），支持数据的实时采集与分析。Time Tagger 20采用USB 2.0接口传输数据，Time Tagger Ultra和Time Tagger X则采用USB 3.0接口传输数据，保障通信的高速与稳定。Time Tagge X额外配备专用接口，可满足快速反馈、低延迟的实验应用需求（详细信息可参考我们的Github代码库）。
布里渊光散射（BLS）的应用案例
Swabian Instruments - 施瓦本仪器®的Time Tagger和Pulse Streamer 8/2已成功集成于各类布里渊光散射实验，相关应用成果已发表于多篇学术文献，典型案例如下：
脉冲发生器Pulse Streamer 8/2作为“起始”信号发生源并实现系统同步，例如：
- 实现布里渊光散射装置中的两台射频源的同步，且可通过任意波形对射频源进行门控调节 9。
- 研究图案化磁性薄膜中的磁振子-磁振子散射过程。磁振子激发脉冲与光子探测的高精度同步，是捕捉磁振子在动量空间中重分布超快动力学的关键 10。
Time Tagger用于单光子探测与频率信号的精准时间标记，典型应用包括：
- Time Tagger 20：用于实现亚纳秒精度的自旋波强度与频率时间演化重构 10。
Time Tagge与Pulse Streamer联用：
- 多款布里渊光散射显微成像系统均采用Time Tagger实现高分辨率时间分辨测量，同时配备脉冲发生器用于信号生成 11。
时间分辨测量的全栈解决方案
- Swabian Instruments - 施瓦本仪器®与THATEC公司合作推出了一站式布里渊光散射测量装置，具备自动对准与稳定功能、灵活的多区域频率扫描能力、同步设备控制下的长时间自动化测量，以及纳秒级自旋波光谱的时间演化重构等功能。详细信息见应用文档：Time-resolved BLS / Time Tagger – THATec Innovation 12。
综上所述，布里渊光散射是一种多功能光谱技术，可用于材料特性表征（包括磁性能分析、生物组织刚度测量）及远程传感与监测。在信号生成与时间标记环节采用高精度电子器件，是确保布里渊光散射实验高效、成功实施的关键。
应用文档
Time-Resolved Brillouin Light Scattering (BLS)
Blachowicz, T. (2024). Scattering: Inelastic scattering technique- Brillouin. Science Direct, Volume 4, Pages 187-193. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-90800-9.00067-6. ↩︎
Dunagin, R., Serga, A., & Bozhko, D. (2025). Brillouin light scattering spectroscopy of magnon–phonon thermal spectra of an in-plane magnetized YIG film in two-dimensional wavevector space. J. Appl. Phys. 137, 083901. https://doi.org/10.1063/5.0251149. ↩︎ ↩︎
Cheburkanov, V., et al (2025). Brillouin Spectroscopy: A Non-Invasive Method for Assessing the Viscoelastic Properties of Biologically Relevant Polymers. JBMR. 113, 7. https://doi.org/10.1002/jbm.a.37965. ↩︎
Esteves, B., et al (2023). Non-contact determination of the viscoelastic properties of agar culture media by Brillouin spectroscopy. Materialia, 30, 101858. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2023.101858. ↩︎
Palombo, F., Fioretto, D. (2019). Brillouin Light Scattering: Applications in Biomedical Sciences. Chemical Reviews. Vol 119, Issue 13. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00019 ↩︎ ↩︎
Yuan, D., et al. (2021). Potential of spaceborne Brillouin scattering lidar for global ocean optical profiling. Optics Express. Vol. 29, Issue 26, pp. 43049-43067. https://doi.org/10.1364/OE.442376 ↩︎
Liu, Dh., Shi, Jw., Chen, Xd. et al. Brillouin lidar and related basic physics. (2010). Front. Phys. China 5, 82–106 . https://doi.org/10.1007/s11467-009-0071-1 ↩︎
Rayleigh vs Raman Scattering. (Online, Accessed November 3rd, 2025) ↩︎
Körber, L., Heins, C., Hula, T. et al. (2023) Pattern recognition in reciprocal space with a magnon-scattering reservoir. Nat Commun 14, 3954. https://doi.org/10.1038/s41467-023-39452-y ↩︎ ↩︎
Heins, C., Kim, J., Körber, L., et al. (2025). Benchmarking a magnon-scattering reservoir with modal and temporal multiplexing. Phys. Rev. Applied 23, 054087. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.23.054087 ↩︎ ↩︎
Magnetometrie - Helmholtz Zentrum Oresden Russendorf. (Online, Accessed November 3rd, 2025) ↩︎
Time-resolved BLS / Time Tagger – THATec Innovation. (Online, Accessed November 3rd, 2025) ↩︎