68 铒光纤放大器的元素

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2019/6/14
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Author:Peng Li

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/cm³
熔点	1522°C
沸点	2510°C
色・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

[1]Mosander, C. G. (1843).“On the new metals, Lanthanium and Didymium, which are associated with Cerium; and on Erbium and Terbium, new metals associated with Yttria”. Philosophical Magazine.23(152): 241–254.doi:10.1080/14786444308644728. Note: The first part of this article, which does NOT concern erbium, is a translation of: C. G. Mosander (1842)“Något om Cer och Lanthan”[Some (news) about cerium and lanthanum],Förhandlingar vid de Skandinaviske naturforskarnes tredje möte (Stockholm)[Transactions of the Third Scandinavian Scientist Conference (Stockholm)], vol. 3, pp. 387–398.
[2]“Facts About Erbium”.Live Science. July 23, 2013. Retrieved 22 October2018.
[3]Becker, P. C.; Olsson, N. A.; Simpson, J. R. (1999).Erbium-doped fiber amplifiers fundamentals and technology. San Diego: Academic Press.ISBN 978-0-12-084590-3.
[4]杜戈果, 陈国夫. 980nm泵浦掺铒光纤放大器增益特性的理论研究[J]. 中国科学, 1998, 41(6):535-541.
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[6]罗瑞，王道春铒激光治疗口腔疾病的应用进展[J],医学综述, 2018(07)
[7]张新航，耿志刚，李明月，et al. 基于Er3+/Yb3+掺杂的上转换玻璃陶瓷材料的制备和性能[J]. 硅酸盐通报，2018(10)
[8] Stwertka, Albert.A Guide to the Elements, Oxford University Press, 1996, p. 162.ISBN 0-19-508083-1
[9]Hammond, C. R. (2000).The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics(81st ed.). CRC press.ISBN 978-0-8493-0481-1.