CHƯƠNG 1: TÁN XẠ RAMAN
1.1 Tổng quan về tán xạ Raman
1.1.1 Ánh sáng
Ánh sáng có tính lưỡng tính sóng hạt. Tính chất sóng của ánh sáng được quan sát thấy
qua các hiện tượng giao thoa, tán sắc. Ánh sáng có bản chất sóng điện từ. Các mode trường
điện từ là tập các nghiệm của phương trình sóng. Tính chất hạt của ánh sáng được thể hiện
qua khả năng đâm xuyên, hiện tượng quang điện, tác dụng ion hoá. Ánh sáng bao gồm các
photon mang năng lượng xác định bằng hf trong đó h là hằng số Plank còn f là tần số của
ánh sáng.
1.1.2 Tương tác của ánh sáng và môi trường
Một chùm sáng đi từ chân không vào môi trường bị phản xạ một phần ở mặt ngăn cách.
Phần khúc xạ vào môi trường lại bị tán sắc, bị môi trường hấp thụ và bị tán xạ một phần về
mọi phía.
Theo Lorentx ta thừa nhận những giả thiết cơ bản sau đây:
 Phân tử của mọi chất được tạo thành từ ion và electron. Electron có khối lượng m và
mang điện tích nguyên tố
19
10.6,1
−
−=
e
C và được coi như điện tích điểm.
 Bên trong vật dẫn, electron chuyển động hoàn toàn tự do. Chuyển động có hướng
của electron trong vật dẫn dưới ảnh hưởng của điện trường tạo nên dòng điện dẫn.
 Trong điện môi, electron không thể chuyển động tự do. Nhưng cũng không liên hệ
cố kết với ion, mà có thể dịch chuyển một chút dưới tác dụng của những lực bên
ngoài. Ion mang điện tích âm hoặc dương cũng có thể dịch chuyển dưới tác dụng
của điện trường. Nhưng ion có khối lượng lớn hơn electron nhiều nên di chuyển
chậm. Trong điện trường biến đổi nhanh của sóng ánh sáng trong miền thấy được,
ion hầu như không kịp dịch chuyển. Chỉ khi nào khảo sát trong miền hồng ngoại ta
mới cần kể đến ảnh hưởng của ion.

lực k phụ thuộc vào điện tích hạt nhân nguyên tử, hoặc cấu trúc phân tử nên
1
ω
là hoàn
toàn đặc trưng cho nguyên tử, phân tử đã cho. Do electron dao động trở thành lưỡng cực
dao động, bức xạ sóng điện từ thứ cấp. Lưỡng cực dao động cũng có thể va chạm với các
phân tử xung quanh, truyền năng lượng dao động cho chúng. Sự bảo tồn năng lượng dao
động vì phát sóng và vì va chạm tương đương với tác dụng của một lực hãm
,
3
grf
−=
(1.)
g là gia tốc của electron khi dao động, kết quả là phương trình chuyển động của electron
có dạng:
eErgrmrm
+
′
−−=
′′
2
1
ω
(1.)
Đặt
ξ
=mg /
, gọi đó là hệ số tắt dần, ta được phương trình dao động của electron
mEerrr /.
2

cho phép một mode truyền dẫn trong nó.
(a) (b)
(c)
Hình 1. Cấu tạo của sợi quang
(a) Sợi quang (b) Sợi chiết suất bậc (c) Sợi chiết suất giảm dần
Một trong các vật liệu được sử dụng rộng rãi để chế tạo sợi quang hiện nay là silic
dioxide SiO
2
. Mỗi nguyên tử trong thuỷ tinh liên kết với các nguyên tử khác theo cấu trúc
tứ diện như Hình 1.. Trong đó mỗi nguyên tử silic được bao quanh bởi bốn nguyên tử
Oxygen.
Hình 1. Cấu trúc tứ diện của Silic dioxide trong thuỷ tinh
Sợi quang cũng có thể được pha tạp với nhiều chất khác nhau để thay đổi chỉ số chiết
suất. Ví dụ
2
GeO
và
52
OP
được pha thêm vào để tăng chiết suất của lõi. Để giảm chiết suất
của lõi, có thể sử dụng các vật liệu như là Boron (B) và Fluorine (F)…Ngoài ra một số chất
khác như Eribium cũng được sử dụng trong các bộ khuyếch đại quang.
1.1.4 Quá trình truyền ánh sáng trong sợi quang
Suy hao
Vận tốc truyền ánh sáng trong sợi quang nhỏ hơn vận tốc truyền ánh sáng trong chân
không. Ký hiệu
c
là vận tốc truyền ánh sáng trong chân không, n là chiết suất của lõi sợi,
khi đó vận tốc truyền ánh sáng trong sợi quang được tính theo công thức (1.6)
n

.
Phương trình chuyển đổi đơn vị :
[ ]
m
dB
/1
1000
10ln
10








=
α
α
(1.)
Công suất quang cũng thường được tính theo đơn vị là dBm thay cho Watt. Quan hệ
giữa hai đơn vị này được biểu thị trong công thức (1.9).
[ ]
[ ]












−≈
3
4
00
4
λ
λ
λλ
S
D
,






kmnm
ps
.
(1.)
Trong đó D là hệ số tán sắc,
λ
là bước sóng,

ααα
α
ααα
L
LzLz
L
eff
e
eedzeP
P
L
−
−−−
−
=−−=−==
∫
1
1
1
/
11
0
0
0
0
(1.)
Diện tích hiệu dụng
Tất cả các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang đều phụ thuộc vào cường độ ánh sáng
truyền dọc theo sợi. Tuy nhiên trong thực tế các phép đo đều thực hiện đo công suất đầu
vào và đầu ra sợi quang. Công suất đi ra khỏi sợi quang chính là tích phân của phân bố

4
0
2
0
2
2
∫
∫
∞
∞








=
π
(1.)
Với
( )
rE
là cường độ điện trường của mode cơ bản tại khoảng cách r so với trục của
sợi. Đối với sợi chiết suất bậc diện tích hiệu dụng
eff
A
có thể được tính theo công thức:
( )

χ
là độ điện cảm cấp j.
Độ điện cảm tuyến tính
)1(
χ
đóng vai trò rất lớn trong P, những ảnh hưởng do nó đem lại
được biểu hiện qua hệ số chiết suất n, hệ số suy hao
α
. Độ điện cảm cấp hai
)2(
χ
là nguyên
nhân gây ra các hiệu ứng như sinh hoà âm cấp hai. Tuy nhiên với các phân tử có cấu trúc
đối xứng như
2
SiO
,
)2(
χ
gần như bằng 0 nên có thể bỏ qua. Các độ điện cảm
)4(
χ
,
)5(
χ
rất
nhỏ so với
)3(
χ
. Vì vậy chỉ có

Trong đó
0
n
là thành phần phụ thuộc bước sóng của chiết suất
n
,
eff
A
là diện tích hiệu
dụng của sợi quang,
2
n
được gọi là chỉ số chiết suất phi tuyến. Tỉ số
eff
An /
2
được gọi là hệ
số phi tuyến. Tham số này có thể đo được mà không cần biết diện tích hiệu dụng của sợi
quang.
Ngoài ra khi nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang một tham số nữa cũng
được đưa ra là
γ
gọi là tham số phi tuyến (nonlinear parameter) và quan hệ với chiết suất
phi tuyến
2
n
theo công thức:
eff
cA
n

×÷=n

Wm /
2
) liên quan với
)3(
χ
như sau:
( )
)3(
2
Re
8
3
χ
⋅=
n
n
(1.)
Với
( )
)3(
Re
χ
là phần thực của
)3(
χ
.
Ngoài ra đặc tính của các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang còn chịu ảnh hưởng của
nhiều tham số như cường độ của tín hiệu, chiều dài sợi, khoảng cách giữa các kênh (trong

2
Ω
=
−

(
−
v
là dịch chuyển tần số theo cm
1
−
,
Ω
là dịch chuyển tần số theo rad/s và c là
vận tốc của ánh sáng trong chân không theo cm/s).
Các hiệu ứng tán xạ sẽ làm giới hạn công suất quang lớn nhất có thể truyền ở trong sợi.
Trong hệ thống WDM tán xạ là nguyên nhân gây nhiễu giữa các kênh. Tuy nhiên tán xạ
Raman cũng được ứng dụng trong các bộ khuyếch đại quang Raman ở những bước sóng
mà bộ khuyếch đại quang EDFA không phù hợp. Hiệu ứng tán xạ Brilloin là nguyên lý
trong các bộ cảm ứng đo nhiệt độ môi trường tại những nơi mà bộ cảm ứng điện không phù
hợp.
Tần số
Hình 1. Tần số của ánh sáng tán xạ.
1.1.7 Tán xạ Raman
Tán xạ Raman được phân chia thành hai loại: Tán xạ Raman tự phát (Spontaneous
Raman Scattering) và tán xạ Raman kích thích (Stimulated Raman Scattering). Hiệu ứng
tán xạ Raman tự phát đã được dự đoán bởi Smekal vào năm 1923 và đến năm 1928 được
Raman chỉ ra bằng thực nghiệm.
Trong quá trình tán xạ Raman tự phát, ánh sáng tới tương tác với môi trường làm sinh ra
các photon. Tuỳ thuộc vào bản chất của môi trường các photon sinh ra sẽ có tần số lớn hơn

Ω+≈
12
ωω
, chêch lệch giữa mức năng lượng trạng thái khởi
đầu và trạng thái cuối chính là năng lượng của một phonon. Thực tế, tán xạ phản Stoke
thường yếu hơn tán xạ Stoke.
Tần số của các photon tán xạ được xác định bằng tần số dao động của nguyên tử. Với
thuỷ tinh, quang phổ của ánh sáng tán xạ Raman gồm nhiều thành phần tần số khác nhau là
do các nguyên tử trong thuỷ tinh dao động trong một khoảng tần số rất rộng.
Hiệu ứng tán xạ Raman tự phát được ứng dụng để xác định cấu trúc của các phân tử,
thành phần cấu tạo và loại liên kết trong các phân tử đó.
Khi ta tăng dần công suất bơm đầu vào thì công suất của sóng Stoke cũng tăng dần.
Nhưng nếu như công suất sóng bơm vượt quá một giá trị xác định thì công suất sóng Stoke
sẽ tăng lên rất nhanh theo hàm mũ. Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là quá trình tán xạ
Raman kích thích.
1.2 Đặc tính của tán xạ Raman kích thích
1.2.1 Phổ khuếch đại Raman
Hình 1. Phổ khuyếch đại Raman của sợi Silic ở bước sóng bơm
m
p
µλ
1
=
.
Sự gia tăng của cường độ sóng Stoke được mô tả bởi công thức:
dz
dIs
=g
R
I