La 'diffusion Brillouin' est la diffusion inélastique de la lumière par les ondes acoustiques d'un milieu. Dans une expérience de diffusion Brillouin, on illumine un milieu à l'aide d'un faisceau laser et on détecte la lumière diffusée à une fréquence légèrement différente. Les décalages en fréquence observés sont de l'ordre de 1 à 200 GHz environ. La mesure de ce décalage permet de remonter à certaines propriétés du milieu. Cet effet a été prédit en 1914 par Léon Brillouin. Dans ses principes, la diffusion Brillouin est tout à fait semblable à la diffusion Raman. Les deux techniques diffèrent par les ordres de grandeurs des décalages (supérieur à 300 GHz ou 10 cm-1 pour le Raman), ce qui implique des appareillages différents pour analyser les spectres diffusés. Dans le cas de la diffusion Raman, on utilisera un spectromètre à réseaux, et un Interféromètre Fabry-Pérot dans le cas de la diffusion Brillouin. Dans une description classique de la diffusion Brillouin, on considère la diffusion de la lumière par une onde acoustique plane. La déformation du milieu associée à cette onde s'accompagne d'une modification locale de l'indice de réfraction du milieu. Pour des faisceaux intenses (par exemple un laser) voyageant dans un milieu, les variations dans le champ électrique du faisceau lui-même peut produire des vibrations acoustiques dans le milieu via l'électrostriction. Le faisceau peut subir de la diffusion Brillouin à cause de ces vibrations, habituellement dans la direction inverse du faisceau incident, un phénomène connu sous le nom de diffusion Brillouin stimulée. Pour les gaz et les liquides, les décalages de fréquence typiques sont de l'ordre de 1–10 GHz (décalages en longueur d'onde de ~1–10 pm pour la lumière visible). D'un point de vue quantique, la diffusion Brillouin consiste en l'interaction de photons avec des quanta acoustiques ou vibrationnels (phonons). Dans la pratique, on cherche en général à mesurer les propriétés d'onde avec un vecteur d'onde bien précis. On se limite donc à des géométries de diffusion simples.