导读

自发布里渊散射（SpBS）是光与物质作用的基本物理现象，赋能了诸如分布式光纤传感和非接触式力学显微成像等重要应用。针对自发布里渊本征波动长期被忽视的现状，北京邮电大学、中国科学院上海光学精密机械研究所、费德里科·圣玛丽亚技术大学以及上海科技大学合作对该本征波动展开了系统研究。通过理论研究和实验验证，研究人员提供了自发布里渊本征波动的系统性理论框架，揭示了这种固有噪声从根本上限制了布里渊测量技术的性能，更新了设计和优化自发布里渊测量技术的既有认知。

研究背景

自发布里渊散射（SpBS）是一种1922年被首次提出的普遍存在于各种介质中的非弹性的光与物质相互作用，其本质是光与材料内部由热运动激发的声波发生耦合。布里渊光谱的峰值频移、线宽和强度本质上与材料特性（如弹性和热学特性）相关联。这一基本关系赋能了SpBS在众多测量学领域的应用，包括光纤长距离分布式传感和非接触式生物力学显微成像等领域。所有测量技术的性能关键取决于精确的光谱参数测量，需要最大化系统信噪比。至今，针对这些技术的信噪比优化策略侧重于考虑探测噪声，以达到散粒噪声极限，然而1990年Boyd等在一项经典理论研究文献中所提及的自发布里渊本征波动一直被忽略。尽管这一现象在当时通过数值仿真进行探索，但仍然长期缺乏系统性的详细认知：1）缺乏描述SpBS本征波动物理机制的直观图景，2）在自发区尚未对SpBS噪声进行实验验证，3）缺乏关于SpBS本征波动与实际系统参数之间联系的深入研究，4）尚未明确该噪声对布里渊测量技术的影响。

核心亮点

研究团队构建了一个针对本征SpBS波动的系统框架，从基础理论到实际应用，解析表征该噪声的形成机理，分析该噪声的特性，验证该噪声的存在，以及揭示其对测量技术的影响。

首先，对于随机的SpBS强度波动的产生机制，研究人员从经典的三波耦合方程入手，给出了逐步的解析解释，并构建了一个直观的物理图景，展现了SpBS噪声如何由材料内部的热力学涨落和光声耦合过程自然产生（图1）。

图1. 自发布里渊散射强度波动物理形成机理示意图。

研究人员进一步将受限于SpBS噪声的信噪比表现与实际系统中的关键参数——包括声子寿命、测量带宽、采样间隔及采样点数——建立了定量关联。研究表明，在给定的布里渊线宽下，不同的系统测量带宽和不同的采样参数都会对测量信噪比行为产生影响。这一研究结果能够准确地量化SpBS噪声对给定的自发布里渊系统的影响，揭示了这种噪声会对信噪比施加了一个普遍且此前未被认识到的上限。研究人员通过针对性设计的相干探测和直接探测实验方案，对这一理论预测进行了验证（图2），首次在自发状态下实验验证了SpBS本征噪声的存在及表现，两种探测方案下的信噪比都表现出了与理论预期一致的饱和趋势。

图2. 相干探测与直接探测实验结果。

在此基础上，研究人员对多个基于SpBS的具体测量应用场景构建了理论模型，将SpBS本征噪声与可测量的系统信噪比直接关联，并对不同系统的信噪比性能展开了实验评估。图3为布里渊光纤成像与海拉细胞显微的实验结果，图4为不同技术分支的布里渊分布式光纤传感的实验结果。实验结果均良好的符合理论预期，证明了理论模型的正确性和有效性，验证了SpBS本征波动可能在SpBS测量系统中产生不可忽略的影响。SpBS本征噪声定义了布里渊测量学中的一个普适且根本的测量精度极限：当系统进入SpBS噪声主导区后，其测量精度上限将突破传统的散粒噪声极限。本研究所建立的框架揭示了SpBS噪声可以在许多实际系统中占主导地位，为重新设计和优化自发布里渊测量技术提供了基础依据。

图3. 布里渊光纤成像与海拉细胞显微的实验结果。

图4. 不同技术分支布里渊分布式光纤传感的实验结果。

总结与展望

本研究对自发布里渊散射（SpBS）的本征波动展开了系统研究，建立了包含物理解析模型和技术应用的系统研究框架，阐明了系统参数对SpBS本征噪声表现的影响机制，并首次实现了对这种固有噪声如何从根本上限制布里渊计量系统性能的定量解释。所建立的理论框架具有广泛适用性，可推广至多种布里渊计量体系，如布里渊成像与显微技术，以及分布式布里渊光纤传感（包括传统标准结构、偏振分集探测方案、以及脉冲编码方案等）。在这些系统中，将SpBS本征噪声纳入考虑，对于系统极限性能的设计优化至关重要。

该成果为未来布里渊计量系统的设计与优化提供了更新的理论基础和思路，尤其是在高功率应用领域（如布里渊光谱学与布里渊激光雷达）中，具有重要的科学价值和应用指导意义。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02115-2