02.05 光纖通信中最偉大的發明——當今長距離信息高速公路的“加油站”

鉺元素的來歷

鉺在1843年,由莫桑德爾(C.G.Mosander)發現。他原來將鉺的氧化物命名為氧化鋱,因此,早期文獻中,氧化鋱和氧化鉺是混同的。直到1860年以後,才得糾正。

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在發現鑭的同一時期裡,莫桑德爾對最初發現的釔進行了分析研究,並於1842年發表報告,明確最初發現的釔土不是單一的元素氧化物,而是三種元素的氧化物。他把其中的一種仍稱為釔土,其中一種命名為erbia(鉺土)。元素符號定為Er。它的命名來源和釔一樣,出自最初發現釔礦石的產地,瑞典斯德哥爾摩附近的小鎮乙特比(Ytterby)。

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鉺和另兩個元素鑭、鋱的發現打開了發現稀土元素的第二道大門,是發現稀土元素的第二階段。他們的發現是繼鈰和釔兩個元素後又找到稀土元素中的三個

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鉺的用途

它得氧化物Er2O3為玫瑰紅色,

用來製造陶器的釉彩。陶瓷業中使用氧化鉺產生一種粉紅色的釉質。鉺在核工業中也有一些應用,還能作為其他金屬的合金成分。例如釩中摻入鉺能夠增強其延展性。

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鉺的另一個應用熱點是激光,尤其是用作醫用激光材料。鉺激光是一種固體脈衝激光,波長為2940nm,能被人體組織中的水分子強烈吸收,從而用較小的能量獲得較大的效果,可以非常精確地切割、磨削和切除軟組織。

鉺YAG激光還被用做白內障摘除。因為白內障晶體的主要成分是水,鉺激光能量低,易被水吸收,將是一種很有發展前景的摘除白內障的手術方法。鉺激光治療儀正為激光外科開闢出越來越廣闊的應用領域。

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鉺還可用作稀土上轉換激光材料的激活離子。鉺激光上轉換材料又分為單晶(氟化物、含氧鹽)和玻璃(光纖)兩類,如摻鉺的鋁酸釔(YAP:Er3+)晶體和摻雜Er3+的ZBLAN氟化物(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)玻璃光纖等,現在均已經實用化。BaYF5:Yb3+,Er3+可將紅外線轉成可見光,這種多光子上轉換髮光材料已成功地用於夜視儀。

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長距離信息高速公路的“加油站”

鉺最突出的用途是製造摻鉺光纖放大器(ErbiumDopantFiberAmplifier,簡稱EDFA)。摻餌光纖放大器(EDFA)是1985年英國南安普頓大學首先研製成功的,它是光纖通信中最偉大的發明之一,甚至可以說是當今長距離信息高速公路的“加油站”。

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摻餌光纖是在石英光纖中摻入少量稀土元素鉺離子(Er3+),它是放大器的核心。摻鉺光纖放大光信號的原理是:當Er3+受到波長980nm或1480nm的光激發吸收泵浦光的能量後,由基態躍遷到高能級的泵浦態。由於粒子在泵浦態的壽命很短,很快以非輻射的方式由泵浦態馳豫到亞穩態,粒子在該能帶有較長的壽命,逐漸積累。

當有1550nm信號光通過時,亞穩態的Er3+離子以受激輻射的方式躍遷到基態,也正好發射出1550nm波長的光。這種從高能態躍迂至基態時發射的光補充了衰減損失的信號光,從而實現了信號光在光纖傳播過程中隨著衰減又不間斷地被放大。

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將鉺摻入普通石英光纖,再配以980納米或1480納米兩種波長的半導體激光器,就基本構成了直接放大1550nm光信號的放大器。石英光纖可傳送各種不同波長的光,但光衰率不一樣,1550nm頻帶的光在石英光纖中傳輸時光衰減率最低(僅為0.15分貝/公里),衰減率幾乎是下限極限。因此,光纖通信以1550nm波長的光作信號光時,光的損失最小。

所以,光纖中只要摻雜幾十至幾百ppm的鉺,就能夠起到補償通訊系統中光損耗的作用。摻鉺光纖放大器就如同一個光的“泵站”,使光信號一站一站毫不減弱地傳遞下去,從而順暢地開通了現代長距離大容量高速光纖通訊的技術通道。

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