Trong môi tr−ờng phân tử (molecular), tán xạ Raman tự phát có thể truyền một phần năng l−ợng nhỏ (khoảng 10-6) lần công suất từ tr−ờng quang này sang thành phần khác và làm cho b−ớc sóng của nó bị giảm đi, độ dịch b−ớc sóng này phụ thuộc vào chế độ rung (vibrational) của môi tr−ờng. Hiệu ứng này đ−ợc tìm ra bởi nhà bác học Raman từ năm 1928 và đ−ợc gọi là hiệu ứng Raman. Nh− hình vẽ
d−ới đây minh học quá trình tán xạ của 1 photon với năng l−ơng hωP bởi các phân tử trở thành photon ở tần số thấp hơn với năng l−ợng hωS. Sự chênh lệch về năng l−ợng này sẽ tạo ra một phonon quang nh− vậy, phân tử đã bị chuyển dịch tới trạng thái rung do kích thích. Trong thực tế, ánh sáng tới sẽ đóng vai trò nh− nguồn bơm để tạo ra bức xạ gọi là stokes.
Mặc dù tán xạ Raman tự phát xảy ra ở mọi môi truờng phân tử, nh−ng nó quá nhỏ nên có thể bỏ qua khi ánh sáng lan truyền trong sợi quang. Tuy nhiên vào năm 1962, kết quả nghiên cứu cho thấy rằng đối với các tín hiệu quang công suất lớn, hiệu ứng phi tuyến SRS có thể xuất hiện và sóng Stokes sẽ tăng lên nhanh trong sợi quang tới mức công suất bơm dần dần chuyển hết sang sóng Stokes.
Trong thực tế, SRS thì khó có thể quan sát trong sợi quang sử dụng nguồn bơm liên tục do ng−ỡng bão hoà rất cao (~1W). Tuy nhiên, nếu sóng Stokes ở tần số phù hợp đ−ợc đ−a vào sợi quang cùng với nguồn bơm nh− hình 3.8 d−ới đây thì sóng Stokes này sẽ đ−ợc khuếch đại bởi nguồn bơm ở công suất khoảng 100mW. Nguồn bơm và tín hiệu có thể đ−ợc truyền ng−ợc nhau do tính chất đẳng h−ớng của SRS. Các phần sau sẽ cho thấy rõ cấu hình bơm ng−ợc có nhiều −u điểm giúp tăng hiệu năng của bộ khuếch đại Raman. Mặc dù từ những năm 80, các bộ khuếch đại Raman đ−ợc quan tâm nhiều, nh−ng mãi tận đến năm 90 nó mới thực sự phát triển bởi sự ra đời của các laser bơm công suất lớn phù hợp.
Bộ ghép quang coupler
Sợi quang
Bộ lọc quang
Hình 3.8 Sơ đồ của bộ khuếch đại Raman dựa trên sợi quang theo cấu hình bơm thuận