元素

68 铒 光纤放大器的元素

本文作者 漂泊

铒是一种重要的稀土元素,它最重要的用途是制造掺铒光纤放大器,这是现代光纤通讯系统中最重要的元件,保障了光信号的长距离、高质量传输。铒激光器则在医疗领域扮演在重要的角色,特别是在口腔等外科医疗领域。

铒的基本物理性质

分类 第ⅢB族▪金属(镧系元素)
原子序号原子量 68(167.26)
电子配置 4f126s2
密度 8.795g/cm 
熔点 1522°C
沸点 2510°C
形状 银白色金属
丰度 3.8ppm(地壳)
发现者 Wilhelm Klemm,Heinrich Bommer
主要的同位素 162Er, 164Er, 166Er, 167Er, 168Er, 170Er,
用途例 掺铒光纤放大器,铒激光
前后的元素 钬-铒-铥

铒的发现

1787年,瑞典矿物学家Karl Arrhenius在斯德哥尔摩附近一个叫Ytterby的小村庄附近的老采石场碰到了一块像沥青一样的黑色矿石,他以村庄的名字将该矿石命名为Yteerby(实际为硅铍钇矿)。他以为自己发现了一种新的钨矿石,然后把样本交到了住在芬兰的Johan Gadolin。在1794年,Gadolin宣布它包含一种新的“钇土”,构成了其重量的38%,即氧化钇(Y2O3),在将其用木炭加热后也没能进一步还原。Anders Gustaf Ekeberg把这一氧化物命名为“Yttria”(钇土)。1843年,Carl Mosander更加彻底的研究了已发现的“钇土”,发现它是混合物,并且由三种氧化物组成:氧化钇,是白色的;氧化铽,是黄色的;还有氧化铒,是玫瑰红色的。

纯净的氧化铒在1905年由Georges Urbain和Charles James独立分离。直到1934年,Wilhelm Klemm和Heinrich Bommer才用钾蒸气还原无水氯化铒的方法制得纯净的单质铒。单质铒是一种柔软的银白色金属。[1-2]

金属铒

掺铒光纤放大器(EDFA)

光纤放大器是一种应用在光纤通讯系统中,对光信号进行放大的器件,这种器件不需要将光信号转变为电信号,而是直接对光信号进行放大。掺铒光纤放大器(ErbiumDopantFiberAmplifier,EDFA)于1985年由英国南安普顿大学和日本东北大学首先研制成功,它是光纤通信中最伟大的发明之一。掺铒光纤放大器具有增益高、带宽大、输出功率高、泵浦效率高、插入损耗低、对偏振态不敏感等优点。

掺铒光纤放大器由有源媒质(几十米左右长的掺饵石英光纤,芯径3-5微米,掺杂浓度(25-1000)x10-6)、泵浦光源(990或1480nm LD)、光耦合器及光隔离器等组成。其中掺铒石英光纤是掺铒光纤放大器的核心,它是在石英光纤中掺入了少量的Er3+的光纤。掺铒光纤放大光信号的原理是:当Er3+受到波长980nm或1480nm的光激发吸收泵浦光的能量后,由基态跃迁到高能级的泵浦态。由于粒子在泵浦态的寿命很短,很快以非辐射的方式由泵浦态驰豫到亚稳态,粒子在该能带有较长的寿命,逐渐积累。当有1550nm信号光通过时,亚稳态的Er3+离子以受激辐射的方式跃迁到基态,也正好发射出1550nm波长的光。这种从高能态跃迂至基态时发射的光补充了衰减损失的信号光,从而实现了信号光在光纤传播过程中随着衰减又不间断地被放大。将铒掺入普通石英光纤,再配以980纳米或1480纳米两种波长的半导体激光器,就基本构成了直接放大1550nm光信号的放大器。

石英光纤可传送各种不同波长的光,但光衰率不一样,1550nm频带的光在石英光纤中传输时光衰减率最低(仅为0.15分贝/公里),衰减率几乎是下限极限。因此,光纤通信以1550nm波长的光作信号光时,光的损失最小。所以,光纤中只要掺杂几十至几百ppm的Er3+,就能够起到补偿通讯系统中光损耗的作用。掺铒光纤放大器就如同一个光的“泵站”,使光信号一站一站毫不减弱地传递下去,从而实现长距离、大容量、高速度的光纤通讯。[3-5]

掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器结构及原理示意图

铒激光

在钇铝石榴石掺杂铒离子可以制得固体脉冲铒激光器,它能发出波长为2940nm的激光,该激光属于中红外线激光,穿透性较差。但是该激光能被人体组织中的水分子强烈吸收,因此在医疗领域发挥着重要的的作用,它能实现用较小的能量获得较好的效果,可以非常精确地切割、磨削和切除软组织。例如铒激光可以用于口腔疾病的治疗。除此之外,铒激光还能用与白内障摘除手术(因为白内障晶体的主要成分是水)。铒激光治疗正为激光外科开辟出越来越广阔的应用领域。

铒还可以作为稀土上转换激光材料的激活离子,如掺铒的铝酸钇(YAP:Er3+)晶体和掺铒的ZBLAN氟化物(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)等。BaYF5:Yb3+,Er3+可以将红外线转成可见光,这种多光子上转换发光材料已成功地用于夜视仪。[6-7]

铒激光治疗仪

铒的其他应用

氧化铒是一种粉红色的氧化物,它的特殊颜色使得它可以用作陶瓷和玻璃的的釉料,添加氧化铒的玻璃还可以用于太阳镜及廉价珠宝。

铒还能改善一些合金的性能,如在钒中掺入铒能改善其延展性。[8-9]

铒色玻璃

参考文献

 

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