元素家族 | 掺铒光纤放大器:传递信号不衰减
  • 来源:科普时报
  • 作者:宋 丹
  • 2023-12-03 14:41

铒,元素周期表第68号元素。

铒的发现充满曲折。1787年,在距瑞典斯德哥尔摩1.6公里的伊特比小镇,人们在一块黑色石头中发现了一种新的稀土,根据发现地命名为钇土。法国大革命后,化学家莫桑德利用新开发的技术从钇土中还原出单质钇。此时,人们意识到钇土并不是一种“单一成分”,还找到了另外两种氧化物:粉红色的被称为氧化铒,浅紫色的被称为氧化铽。1843年,莫桑德发现了铒和铽,但本人并不认为找到的这两种物质是纯的,可能混有其他物质。随后几十年里,人们逐渐发现其中确实混有很多元素,陆续找到了除了铒和铽以外的其他镧系金属元素。

对铒的研究与其发现一样并不顺利,虽然1843年莫桑德就发现了粉红色的氧化铒,但直到1934年由于提纯手段不断改进,铒金属纯净的样本才被提取出来。通过加热提纯出氯化铒和钾,人们实现了金属钾对铒的还原。即便如此,铒的性质与其他镧系金属元素太相似了,因此相关研究停滞近50年,比如磁性、摩擦能产生火花等。直到1959年,随着铒原子特殊4f层电子结构在新兴光学领域的应用,铒被人们所关注,开发出铒的多项应用。

铒,银白色,质地柔软,只有在接近绝对零度的时候才会表现出强铁磁性,而且为超导体,室温下会被空气和水缓慢氧化。氧化铒是玫瑰红色,通常用于制瓷业,是一种很好的釉料。铒集中分布于火山岩中,在我国南方有大规模矿床。

铒的光学特性非常突出,可将红外线转化为可见光,是已证明制作红外探测器、夜视仪的完美材料。它在光子检测上也是一把好手,能通过固体中特定离子连续激发能级依次吸收光子,然后对这些光子进行检测和计数,就能制成光子检测器。不过三价铒离子直接吸收光子的效率并不高,直到1966年,科学家们通过辅助离子间接捕获光信号,然后再将能量转移给铒,从而研制出铒激光器。

铒激光器与钬激光器原理类似,但比钬激光器的能量要低得多。波长2940纳米的铒激光器就能用来切割软组织。这种中红外区的激光虽然穿透能力比较差,但可以被人体组织中的水分快速吸收,以较小的能量就能获得较好的效果,可精细切割、磨削和切除软组织,实现伤口快速愈合,广泛用于口腔、白内障、美容除疤除皱等激光手术。

1985年,英国南安普顿大学和日本东北大学成功研制出了一款掺铒的光纤放大器。如今,我国湖北省武汉市的武汉光谷已能自主生产这种掺铒的光纤放大器,还能出口到北美、欧洲等国。这项应用是光纤通信中最伟大的发明之一,只要掺杂一定比例的铒,就能够补偿通讯系统中光信号的损耗。这种放大器是当前光纤通信中应用最广的器件,能使光信号毫不减弱地传递下去。

(作者系武汉市第二十中学化学教师、武汉市科学家科普团成员)


责任编辑:张英贤
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