เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจือเออร์เบียม: การส่งสัญญาณโดยไม่มีการลดทอน

เออร์เบียมซึ่งเป็นธาตุลำดับที่ 68 ในตารางธาตุ

การค้นพบของเออร์เบียมเต็มไปด้วยการพลิกผัน ในปี พ.ศ. 2330 ในเมืองเล็กๆ ชื่อ Itby ห่างจากสตอกโฮล์ม ประเทศสวีเดน 1.6 กิโลเมตร มีการค้นพบธาตุหายากชนิดใหม่บนหินสีดำ ชื่ออิตเทรียมเอิร์ธตามตำแหน่งของการค้นพบ หลังการปฏิวัติฝรั่งเศส นักเคมีมอสซานเดอร์ใช้เทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นใหม่เพื่อลดธาตุอิตเทรียมจากอิตเทรียมเอิร์ธ เมื่อมาถึงจุดนี้ ผู้คนตระหนักได้ว่าดินอิตเทรียมไม่ใช่ "องค์ประกอบเดียว" และพบออกไซด์อีก 2 ชนิด โดยสีชมพูเรียกว่าเออร์เบียมออกไซด์และสีม่วงอ่อนเรียกว่าเทอร์เบียมออกไซด์ ในปี ค.ศ. 1843 มอสแซนเดอร์ค้นพบเออร์เบียมและเทอร์เบียมแต่เขาไม่เชื่อว่าสารทั้งสองที่พบนั้นบริสุทธิ์และอาจผสมกับสารอื่นได้ ในทศวรรษต่อมา ผู้คนค่อยๆ ค้นพบว่ามีองค์ประกอบหลายอย่างผสมอยู่ในนั้น และค่อยๆ พบธาตุโลหะแลนทาไนด์อื่นๆ นอกเหนือจากเออร์เบียมและเทอร์เบียม

การศึกษาเออร์เบียมไม่ราบรื่นเท่ากับการค้นพบ แม้ว่า Maussand จะค้นพบสีชมพูเออร์เบียมออกไซด์ในปี พ.ศ. 2386 แต่จนกระทั่งปี พ.ศ. 2477 ตัวอย่างบริสุทธิ์ของโลหะเออร์เบียมถูกสกัดเนื่องจากการปรับปรุงวิธีการทำให้บริสุทธิ์อย่างต่อเนื่อง โดยการให้ความร้อนและการทำให้บริสุทธิ์เออร์เบียมคลอไรด์และโพแทสเซียม ผู้คนสามารถลดเออร์เบียมได้ด้วยโพแทสเซียมของโลหะ ถึงกระนั้น คุณสมบัติของเออร์เบียมก็คล้ายคลึงกับธาตุโลหะแลนทาไนด์อื่นๆ มากเกินไป ส่งผลให้เกิดความซบเซาในการวิจัยที่เกี่ยวข้องเกือบ 50 ปี เช่น แม่เหล็ก พลังงานแรงเสียดทาน และการเกิดประกายไฟ จนถึงปี 1959 ด้วยการประยุกต์ใช้โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ชั้น 4f พิเศษของอะตอมของเออร์เบียมในสนามแสงที่เกิดขึ้นใหม่ เออร์เบียมได้รับความสนใจและมีการพัฒนาการประยุกต์ใช้เออร์เบียมหลายอย่าง

เออร์เบียม สีขาวเงิน มีเนื้อสัมผัสที่นุ่มนวลและมีเฉพาะแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกที่แข็งแกร่งใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์เท่านั้น มันเป็นตัวนำยิ่งยวดและถูกออกซิไดซ์อย่างช้าๆ ด้วยอากาศและน้ำที่อุณหภูมิห้องเออร์เบียมออกไซด์เป็นสีแดงกุหลาบที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรมเครื่องเคลือบดินเผาและเป็นสีเคลือบที่ดี เออร์เบียมมีความเข้มข้นในหินภูเขาไฟและมีแหล่งแร่ขนาดใหญ่ทางตอนใต้ของประเทศจีน

เออร์เบียมมีคุณสมบัติทางแสงที่โดดเด่นและสามารถแปลงอินฟราเรดเป็นแสงที่มองเห็นได้ ทำให้เป็นวัสดุที่สมบูรณ์แบบสำหรับการผลิตเครื่องตรวจจับอินฟราเรดและอุปกรณ์มองเห็นตอนกลางคืน นอกจากนี้ยังเป็นเครื่องมือที่มีความชำนาญในการตรวจจับโฟตอน ซึ่งสามารถดูดซับโฟตอนได้อย่างต่อเนื่องผ่านระดับการกระตุ้นไอออนเฉพาะในของแข็ง จากนั้นจึงตรวจจับและนับโฟตอนเหล่านี้เพื่อสร้างเครื่องตรวจจับโฟตอน อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการดูดกลืนโฟตอนโดยตรงโดยไอออนไตรวาเลนท์เออร์เบียมไม่สูงนัก จนกระทั่งถึงปี 1966 นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาเลเซอร์เออร์เบียมโดยจับสัญญาณแสงทางอ้อมผ่านไอออนเสริม จากนั้นจึงถ่ายโอนพลังงานไปยังเออร์เบียม

หลักการของเลเซอร์เออร์เบียมนั้นคล้ายคลึงกับหลักการของเลเซอร์โฮลเมียม แต่พลังงานของมันจะต่ำกว่าเลเซอร์โฮลเมียมมาก เลเซอร์เออร์เบียมที่มีความยาวคลื่น 2,940 นาโนเมตรสามารถใช้ตัดเนื้อเยื่ออ่อนได้ แม้ว่าเลเซอร์ประเภทนี้ในบริเวณอินฟราเรดตอนกลางจะมีความสามารถในการเจาะทะลุได้ต่ำ แต่ความชื้นในเนื้อเยื่อของมนุษย์สามารถดูดซับได้อย่างรวดเร็ว ทำให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีโดยใช้พลังงานน้อยลง สามารถตัด บด และขจัดเนื้อเยื่ออ่อนได้อย่างประณีต ช่วยให้แผลหายเร็ว มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผ่าตัดด้วยเลเซอร์ เช่น ช่องปาก ต้อกระจกขาว ความงาม การกำจัดรอยแผลเป็น และการกำจัดริ้วรอย

ในปี 1985 มหาวิทยาลัย Southampton ในสหราชอาณาจักรและมหาวิทยาลัย Northeastern ในญี่ปุ่นประสบความสำเร็จในการพัฒนาเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจือเออร์เบียม ปัจจุบัน Wuhan Optics Valley ในเมืองอู่ฮั่น มณฑลหูเป่ย ประเทศจีน สามารถผลิตเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์เจือเออร์เบียมได้อย่างอิสระ และส่งออกไปยังอเมริกาเหนือ ยุโรป และสถานที่อื่นๆ แอปพลิเคชั่นนี้เป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติก ตราบใดที่มีการเจือเออร์เบียมในสัดส่วนที่กำหนด ก็สามารถชดเชยการสูญเสียสัญญาณแสงในระบบสื่อสารได้ ปัจจุบันแอมพลิฟายเออร์นี้เป็นอุปกรณ์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการสื่อสารใยแก้วนำแสง ซึ่งสามารถส่งสัญญาณแสงได้โดยไม่อ่อนลง