摻鉺光纖放大器：傳遞信號不衰減

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鉺，元素周期表第68號元素。

鉺的發(fā)現(xiàn)充滿曲折。1787年，在距瑞典斯德哥爾摩1.6公里的伊特比小鎮(zhèn)，人們在一塊黑色石頭中發(fā)現(xiàn)了一種新的稀土，根據(jù)發(fā)現(xiàn)地命名為釔土。法國大革命后，化學(xué)家莫桑德利用新開發(fā)的技術(shù)從釔土中還原出單質(zhì)釔。此時，人們意識到釔土并不是一種“單一成分”，還找到了另外兩種氧化物：粉紅色的被稱為氧化鉺，淺紫色的被稱為氧化鋱。1843年，莫桑德發(fā)現(xiàn)了鉺和鋱，但本人并不認為找到的這兩種物質(zhì)是純的，可能混有其他物質(zhì)。隨后幾十年里，人們逐漸發(fā)現(xiàn)其中確實混有很多元素，陸續(xù)找到了除了鉺和鋱以外的其他鑭系金屬元素。

對鉺的研究與其發(fā)現(xiàn)一樣并不順利，雖然1843年莫桑德就發(fā)現(xiàn)了粉紅色的氧化鉺，但直到1934年由于提純手段不斷改進，鉺金屬純凈的樣本才被提取出來。通過加熱提純出氯化鉺和鉀，人們實現(xiàn)了金屬鉀對鉺的還原。即便如此，鉺的性質(zhì)與其他鑭系金屬元素太相似了，因此相關(guān)研究停滯近50年，比如磁性、摩擦能產(chǎn)生火花等。直到1959年，隨著鉺原子特殊4f層電子結(jié)構(gòu)在新興光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，鉺被人們所關(guān)注，開發(fā)出鉺的多項應(yīng)用。

鉺，銀白色，質(zhì)地柔軟，只有在接近絕對零度的時候才會表現(xiàn)出強鐵磁性，而且為超導(dǎo)體，室溫下會被空氣和水緩慢氧化。氧化鉺是玫瑰紅色，通常用于制瓷業(yè)，是一種很好的釉料。鉺集中分布于火山巖中，在我國南方有大規(guī)模礦床。

鉺的光學(xué)特性非常突出，可將紅外線轉(zhuǎn)化為可見光，是已證明制作紅外探測器、夜視儀的完美材料。它在光子檢測上也是一把好手，能通過固體中特定離子連續(xù)激發(fā)能級依次吸收光子，然后對這些光子進行檢測和計數(shù)，就能制成光子檢測器。不過三價鉺離子直接吸收光子的效率并不高，直到1966年，科學(xué)家們通過輔助離子間接捕獲光信號，然后再將能量轉(zhuǎn)移給鉺，從而研制出鉺激光器。

鉺激光器與鈥激光器原理類似，但比鈥激光器的能量要低得多。波長2940納米的鉺激光器就能用來切割軟組織。這種中紅外區(qū)的激光雖然穿透能力比較差，但可以被人體組織中的水分快速吸收，以較小的能量就能獲得較好的效果，可精細切割、磨削和切除軟組織，實現(xiàn)傷口快速愈合，廣泛用于口腔、白內(nèi)障、美容除疤除皺等激光手術(shù)。

1985年，英國南安普頓大學(xué)和日本東北大學(xué)成功研制出了一款摻鉺的光纖放大器。如今，我國湖北省武漢市的武漢光谷已能自主生產(chǎn)這種摻鉺的光纖放大器，還能出口到北美、歐洲等國。這項應(yīng)用是光纖通信中最偉大的發(fā)明之一，只要摻雜一定比例的鉺，就能夠補償通訊系統(tǒng)中光信號的損耗。這種放大器是當(dāng)前光纖通信中應(yīng)用最廣的器件，能使光信號毫不減弱地傳遞下去。

（作者系武漢市第二十中學(xué)化學(xué)教師、武漢市科學(xué)家科普團成員）

標(biāo)簽： 鉺激光器 光纖通信 金屬元素