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title: "布里渊显微镜怎样用光听见材料里的声波"
description: "热运动让散射光频率略变。谱峰能给出高频纵向响应，但折射率、密度和有限焦斑，让频移与“硬度”之间隔着几步。"
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language: "zh-CN"
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  en: "https://sandboxphysics.com/stories/instruments/brillouin-microscope/"
last_modified: "2026-11-03"
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[物理仪器怎样测量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/)

走进仪器

# 布里渊显微镜怎样用光听见材料里的声波

一束绿光穿过透明样品，少量散射光的频率会略微升高或降低。肉眼分不出这样的颜色差别，精细谱仪却能把它分成激光两侧的小峰。这些峰来自材料内部的快速压缩，是布里渊显微镜用来探测局部力学响应的信号。

Sandbox Physics · 2026-11-03

## 光碰到的是微小的行进压缩

看似静止的材料，分子仍在热运动。局部密度有时稍高，有时稍低，这些微小的压缩和稀疏能像声波一样传播。密度变化也会稍微改变光学性质，给入射光提供散射机会。这里没有人敲击样品，热涨落本身就在提供声学运动。

光与这种运动交换能量后，会落到原激光频率的两侧。频率降低的一侧称为斯托克斯峰，升高的一侧称为反斯托克斯峰。两峰离激光多远，给出了所选声学起伏的频率；峰本身有多宽，则还包含声学运动衰减的信息。

来源：[1]

## 换一个方向，量到的声学尺度也会变

入射与出射的方向共同决定光从材料里挑出哪一种声波。若几乎沿原方向收光，两束光的动量差很小；朝来路收光时，动量差最大。同一个声速，配上不同声波波长，就对应不同的振动频率。换收光角度，峰位会跟着移动。

折射率也参与这个选择。相同真空波长的光，在折射率较高的介质中波长更短；相同后向几何便会选中更短的声学波长。即使声速不变，频移也会增大。于是，仅凭一幅峰位图，光学变化和力学变化可能混在一起。

来源：[1] [2]

## 频移还需要几项条件才能换成模量

若知道折射率和散射角，就能由频移推声速。再给出密度，才可把声速换成纵向储能模量：它描述沿传播方向快速压缩时，材料怎样储存弹性能。密度更大、声速相同的两种材料，也可以具有不同的模量。

常用的弱阻尼关系把纵向储能模量写成 $M'$。式中 $\rho$ 是密度，$n$ 是折射率，$\lambda_0$ 是真空波长，$\theta$ 是材料内部两条传播方向的夹角，$\nu_B$ 是拟合频移。各项条件一起决定换算结果。

设想两处声速、密度完全相同，只是第二处折射率高十分之一。在同一后向几何中，第二处频移也会高十分之一。若换算时仍沿用第一处的折射率，频移平方后，算出的模量就会高百分之二十一。这个例子里，声速从未改变；独立量出折射率，再分别换算，两处模量会重新一致。

这仍是吉赫兹声学频率下的纵向响应。缓慢拉伸时测的杨氏模量，形变方式和时间尺度都不同；黏弹性材料有时间松弛时，慢慢拉与快速压的结果可以相差很大。含水量还可能同时改变密度、折射率和声学响应。解释一张图，要先说清测的是哪一种响应。

$$
M'=\rho\left[\frac{\lambda_0\nu_B}{2n\sin(\theta/2)}\right]^2
$$

各向同性、准弹性和弱阻尼近似下的条件换算。折射率与密度须由独立信息或明确假设给出。

来源：[2] [1]

## 观测线宽也包含谱仪自己的展宽

把一条非常窄的已知光学边带送进谱仪，出口仍会出现一个有宽度的峰。这就是仪器响应。测样品时，材料谱线与这份响应一起决定探测到的峰形；直接把观测宽度当作声学衰减，会把仪器也算进去。

若两种峰形都能用洛伦兹形描述，也就是中心尖、两侧有长尾的一类曲线，卷积后的半高全宽恰好相加。先量出仪器宽度，才可相减得到材料宽度；别的峰形要按相应卷积处理。差值小到与计数波动难分时，保留原谱比给出一个看似精确的细线宽更有用。

来源：[2]

## 焦斑跨过边界时，两侧都在贡献光子

焦点并不是一个没有大小的点。它压在两种材料的边界上时，探测器会同时收到两份散射谱；分辨率足够时可看到各自的峰，靠得太近时也可能只像一个宽峰。把焦点一步步移过边界，保存每点光谱与背景，再用两侧测得的谱形比较贡献，才能看出哪些空间变化来自焦斑混合。混合体积未必有一个单独的“硬度”。分得开的响应可以分别报告，并注明各自的光子贡献。

来源：[1] [2]

## [移动焦斑，比较两侧的光子谱](https://sandboxphysics.com/zh/labs/brillouin-microscope/)

跨过材料边界，再比较后向与直角收光，检查折射率假设。

两块均匀合成材料的中心光线与洛伦兹计数模型，保留原谱、背景、独立标定和条件纵向模量。

## 来源与延伸阅读

1. [Antonacci and Braakman, Biomechanics of subcellular structures by non-invasive Brillouin microscopy, Scientific Reports 6, 37217 (2016)](https://www.nature.com/articles/srep37217)

   引言、纵向模量与杨氏模量区别的讨论及方法：热声学散射、共焦收光和折射率／密度依赖。这里不采用生物结果或仪器性能。

2. [Chan, Bevilacqua and Prevedel, Mechanical mapping of mammalian follicle development using Brillouin microscopy, Communications Biology 4, 1133 (2021)](https://www.nature.com/articles/s42003-021-02662-5)

   材料参数与方法部分：频移、线宽、条件纵向模量，以及洛伦兹仪器响应的去卷积。文中例子是合成光学／声学教学情形，不是组织测量。

[游标怎样读出毫米的零头](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/length-metrology/) [空气也会托住天平上的物体](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/precision-balance/) [Cavendish 怎样量出两个球的引力](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/cavendish-balance/) [液柱究竟在量哪一边的压强](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/manometer/) [杯子也在吸热，怎样量出样品的比热](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/calorimeter/) [转得更费劲，液体就更黏吗？](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/rotational-rheometer/) [管口外的空气怎样改变共振](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/resonance-tube/) [地震仪怎样从机壳里的运动读出地面](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/seismometer/) [电表接上以后，电压为什么变了？](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/electrical-meters/) [检流计归零时，电阻怎样显出读数](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/resistance-bridges/) [电容为什么也会像电感](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/lcr-impedance/) [示波器上的慢波是怎样冒出来的](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/digital-oscilloscope/) [锁相放大器怎样找出埋在噪声里的信号](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/lock-in-amplifier/) [频谱里的小峰会从哪里来](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/spectrum-analyzer/) [网络分析仪怎样把电缆和器件分开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/vector-network-analyzer/) [石英晶体慢了，怎样判断它是否变重了](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/quartz-microbalance/) [交叉色散怎样把重叠的谱阶铺开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/echelle-spectrograph/) [只量总亮度，怎样分出许多颜色](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/ftir-spectrometer/) [用一束光量出溶液有多浓](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/uv-vis-spectrophotometer/) [椭偏仪怎样从反射光里读出薄膜厚度](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/spectroscopic-ellipsometer/) [偏振仪怎样看出样品把光混在了一起](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/mueller-polarimeter/) [一颗颗光子怎样告诉我们荧光寿命](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/tcspc-fluorescence-lifetime/) [白色积分球怎样比较一盏灯的总输出](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/integrating-sphere-radiometer/) [粉末的圆环怎样显露原子间距](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/powder-xray-diffractometer/) [小角X射线散射怎样从光晕看颗粒](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/small-angle-xray-scattering/) [X 射线荧光为什么要看样品厚度](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/xray-fluorescence-spectrometer/) [原子力显微镜扫出的凸起为什么会变宽](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/atomic-force-microscope/) [小压痕怎样分开硬度与弹性](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/nanoindenter/) [差示扫描量热怎样读懂一个熔化峰](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/differential-scanning-calorimeter/) [热重分析怎样把失重与气体托力分开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/thermogravimetric-analyzer/) [金刚石对顶砧怎样从红宝石的光读出压力](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/diamond-anvil-cell/) [金刚石怎样从荧光里读出磁场方向](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/nv-center-magnetometer/)