70 镱激光材料的掺杂元素

元素

2019/7/1
元素
Comment:0
Author:Peng Li

本文作者漂泊

镱是一种重要的稀土元素，它主要是用作激光晶体及激光玻璃的掺杂元素，用来改善激光晶体的性能，从而制造大功率激光器。除此之外，镱还可以用于制造原子钟，采用激光冷却技术、以¹⁷¹Yb为材料制成的冷镱原子光钟是目前时间精度最高的原子钟。

镱的基本物理性质

分类	第ⅢB族▪金属（镧系元素）
原子序号・原子量	70(173.04)
电子配置	4f¹⁴6s²
密度	6.54g/cm³
熔点	824°C
沸点	1196°C
色・形状	银白色软金属
丰度	3.3ppm（地壳）
发现者	Jean Charles,G Marignac
主要的同位素	¹⁶⁸Yb,¹⁷⁰Yb,¹⁷¹Yb,¹⁷²Yb,¹⁷³Yb,¹⁷⁴Yb,¹⁷⁶Yb,
用途例	激光晶体、激光玻璃、冷镱原子光钟
前后的元素	铥-镱-镥

镱的发现

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。化学家们又对其中的“铒土”又进行了许多研究。1878年，瑞士化学家Jean Charles和G Marignac在去除了“铒土”中的氧化铒之后，发现还存在一种新的氧化物，他们以钇矿石发现地Ytterby村庄的名字将这个氧化物中的新元素命名为Ytterbium，元素符号为Yb，译为“镱”。^[1-2]

金属镱

掺镱激光晶体

镱元素最重要的的用途是用于加工优质的激光材料。掺镱激光晶体是一类高功率的激光材料，这已经形成了一个庞大的系列，包括有掺镱钇铝石榴石（Yb：YAG）、掺镱钆镓石榴石（Yb：GGG）、掺镱氟磷酸钙（Yb：FAP）、掺镱氟磷酸锶（Yb：S-FAP）、掺镱钒酸钇（Yb：YV04）等。Yb：YAG具有许多特点适合高功率半导体激光器泵浦，已成为大功率LD泵浦用激光材料；Yb：S-FAP晶体则可能在未来作为实现控制激光核聚变的材料；而掺铬镱钬钇铝镓石榴石（Cr，Yb，Ho：YAGG）则是一种可调谐激光晶体，其波长在2.84～3.05μm之间，连续可调，它可以用于导弹的中红外探测器，有着重要的军事意义。^[3-5]

镱激光掺镱激光晶体

冷镱原子光钟

冷镱原子光钟是目前精度最高的原子钟，其精度超越了铯原子喷泉钟。高精度原子钟的发明对于全球定位（GPS）、高速通信、深空探测都具有重要的意义。随着激光冷却技术的发展，利用激光冷却原子制造的冷原子钟能使得原子钟的时间测量精度进一步得到了提高。

冷镱原子光钟的工作介质是中性镱原子，具体来说是核自旋I=1/2的¹⁷¹Yb，其中基态（6s²）¹S₀和激发态（6s6p）³P₀之间存在非常微弱的578nm光频跃迁，理论上的自然线宽仅为10mHz，谱线Q值在10¹⁷量级，是理想的钟跃迁参考。通过利用激光复现这条原子共振线，就可以获得极高的稳定度和准确度的光频标准。首先需利用399nm激光对镱原子进行减速、冷却和囚禁，再利用556nm激光进一步磁光阱冷却，将冷却的原子装载进一维光晶格势阱中，然后用一束578nm窄线宽激光诱导¹⁷¹Yb钟跃迁，接下来使用649nm和770nm抽运光将被激发的原子转移至¹S₀态，最后用399nm激光诱导产生荧光，根据荧光信号便可以获得原子的钟跃迁谱线。

冷镱原子钟具有极低的频率不确定度和极好的频率稳定度，是一种非常有应用前景的原子钟。^[6-9]

¹⁷¹Yb原子能级图冷¹⁷¹Yb原子光钟工作原理示意图

镱激光玻璃

稀土激光玻璃是一种非常重要的工业和军事材料。由于玻璃易成型可以制成大尺寸，并具有高光透和高均匀性等特点，所以可以制成大功率激光器。最常见的稀土激光玻璃主要是钕玻璃，它已有40多年的发展历史，制作和应用技术成熟。它是通过在磷酸盐和氟磷酸盐玻璃中掺杂Nd³⁺制成的。磷酸盐和氟磷酸盐玻璃具有较好的化学稳定性和热稳定性，并具有较宽的红外透过性能和大的非均匀展宽特性。若在其中掺杂Yb³⁺离子，制成的镱激光玻璃储能效率比钕玻璃高16倍，荧光寿命也是钕玻璃的3倍，同时还具有掺杂浓度高、吸收带宽、可直接用半导体泵浦等优点，非常适用于大功率激光器使用。但要使镱激光玻璃发挥较高的效率往往还需要在镱激光玻璃中添加Nd³⁺作为敏化剂进行协助。通过调节玻璃成分，可以提高镱激光玻璃的诸多发光性能。如今，镱激光玻璃制造的激光器越来越广泛地应用于现代工业、医学、及军事领域。^[10-11]

镱激光玻璃制成的光纤激光器

参考文献

[1]Emsley, John (2003).Nature’s building blocks: an A-Z guide to the elements. Oxford University Press. pp. 492–494.ISBN 978-0-19-850340-8.
[2] Enghag, Per (2004).Encyclopedia of the elements: technical data, history, processing, applications.John Wiley & Sons,ISBN 978-3-527-30666-4,p. 448.
[3]Ostby, Eric (2009).“Photonic Whispering-Gallery Resonations in New Environments”(PDF).California institute of technology. Retrieved21 December2012.
[4]Grukh, Dmitrii A.; Bogatyrev, V. A.; Sysolyatin, A. A.; Paramonov, Vladimir M.; Kurkov, Andrei S.; Dianov, Evgenii M. (2004). “Broadband Radiation Source Based on an Ytterbium-Doped Fibre With Fibre-Length-Distributed Pumping”.Quantum Electronics.34(3): 247.Bibcode:2004QuEle..34..247G.doi:10.1070/QE2004v034n03ABEH002621.
[5]张怀金，蒋民华新型激光晶体材料研究进展[J]，无机材料学报，2008（03）
[6]NIST (2013-08-22)Ytterbium Atomic Clocks Set Record for Stability.
[7]Peik, Ekkehard (2012-03-01).New “pendulum” for the ytterbium clock. ptb.de.
[8]“NIST ytterbium atomic clocks set record for stability”. Phys.org. August 22, 2013.
[9]周敏，艾迪，骆莉梦 et al. 冷镱原子光钟的研究进展[J]，导航定位与授时，2019（01）
[10]郑锐林，掺镱高增益氟磷酸盐激光玻璃的制备及性能研究南京邮电大学硕士毕业论文 2013
[11]董高明，Yb³⁺掺杂硅酸盐激光玻璃的制备及其特性分析燕山大学硕士毕业论文 2011