เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์แบบโดปเออร์เบียม: ส่งสัญญาณโดยไม่ลดทอนสัญญาณ

เออร์เบียมธาตุลำดับที่ 68 ในตารางธาตุ

การค้นพบของเออร์เบียมเต็มไปด้วยความพลิกผัน ในปี 1787 ในเมืองเล็กๆ ชื่อ Itby ซึ่งอยู่ห่างจากกรุงสตอกโฮล์ม ประเทศสวีเดนไป 1.6 กิโลเมตร มีการค้นพบแร่ธาตุหายากชนิดใหม่ในหินสีดำ โดยตั้งชื่อว่าดินอิตเทรียมตามสถานที่ค้นพบ หลังจากการปฏิวัติฝรั่งเศส นักเคมีชื่อ Mossander ได้ใช้เทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นใหม่เพื่อลดปริมาณธาตุอิตเทรียมจากดินอิตเทรียม เมื่อถึงจุดนี้ ผู้คนก็ตระหนักว่าดินอิตเทรียมไม่ใช่ “องค์ประกอบเดี่ยว” และพบออกไซด์อีกสองชนิด: ชนิดสีชมพูเรียกว่าเออร์เบียมออกไซด์และสีม่วงอ่อนเรียกว่าเทอร์เบียมออกไซด์ ในปี พ.ศ. 2386 มอสแซนเดอร์ค้นพบเออร์เบียมและเทอร์เบียมแต่เขาไม่เชื่อว่าสารทั้งสองชนิดที่พบนั้นเป็นสารบริสุทธิ์และอาจผสมกับสารอื่นได้ ในทศวรรษต่อมา ผู้คนค่อยๆ ค้นพบว่ามีธาตุหลายชนิดผสมอยู่ในนั้น และค่อยๆ พบธาตุโลหะแลนทาไนด์อื่นๆ นอกเหนือจากเออร์เบียมและเทอร์เบียม

การศึกษาเกี่ยวกับเออร์เบียมไม่ได้ราบรื่นเท่ากับการค้นพบ แม้ว่า Maussand จะค้นพบเออร์เบียมออกไซด์สีชมพูในปี 1843 แต่จนกระทั่งปี 1934 จึงได้ค้นพบตัวอย่างบริสุทธิ์ของเออร์เบียมออกไซด์โลหะเออร์เบียมถูกสกัดออกมาเนื่องจากการปรับปรุงวิธีการทำให้บริสุทธิ์อย่างต่อเนื่อง โดยการให้ความร้อนและการทำให้บริสุทธิ์เออร์เบียมคลอไรด์และโพแทสเซียม มนุษย์ประสบความสำเร็จในการลดเออร์เบียมด้วยโพแทสเซียมโลหะ ถึงกระนั้น คุณสมบัติของเออร์เบียมก็คล้ายคลึงกับธาตุโลหะแลนทาไนด์อื่นๆ มากเกินไป ส่งผลให้การวิจัยที่เกี่ยวข้อง เช่น แม่เหล็ก พลังงานแรงเสียดทาน และการเกิดประกายไฟหยุดชะงักมานานเกือบ 50 ปี จนกระทั่งปี 1959 ด้วยการประยุกต์ใช้โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ชั้น 4f พิเศษของอะตอมเออร์เบียมในสนามแสงที่เกิดขึ้นใหม่ เออร์เบียมจึงได้รับความสนใจและมีการพัฒนาการใช้งานเออร์เบียมหลายรูปแบบ

เออร์เบียมมีสีขาวเงิน มีเนื้อนุ่มและแสดงคุณสมบัติแม่เหล็กเฟอร์โรอย่างแรงที่ระดับใกล้ศูนย์สัมบูรณ์เท่านั้น เออร์เบียมเป็นตัวนำยิ่งยวดและถูกออกซิไดซ์อย่างช้าๆ โดยอากาศและน้ำที่อุณหภูมิห้องเออร์เบียมออกไซด์เป็นสีแดงกุหลาบที่นิยมใช้ในอุตสาหกรรมเครื่องเคลือบและเป็นเคลือบที่ดี เออร์เบียมมีความเข้มข้นในหินภูเขาไฟและมีแหล่งแร่ธาตุขนาดใหญ่ในภาคใต้ของจีน

เออร์เบียมมีคุณสมบัติทางแสงที่โดดเด่นและสามารถแปลงอินฟราเรดเป็นแสงที่มองเห็นได้ ทำให้เป็นวัสดุที่สมบูรณ์แบบสำหรับการสร้างเครื่องตรวจจับอินฟราเรดและอุปกรณ์มองเห็นตอนกลางคืน นอกจากนี้ยังเป็นเครื่องมือที่มีทักษะในการตรวจจับโฟตอน ซึ่งสามารถดูดซับโฟตอนอย่างต่อเนื่องผ่านระดับการกระตุ้นไอออนที่เฉพาะเจาะจงในของแข็ง จากนั้นจึงตรวจจับและนับโฟตอนเหล่านี้เพื่อสร้างเครื่องตรวจจับโฟตอน อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพในการดูดซับโฟตอนโดยตรงโดยไอออนเออร์เบียมที่มีประจุสามตัวยังไม่สูง จนกระทั่งในปี 1966 นักวิทยาศาสตร์จึงพัฒนาเลเซอร์เออร์เบียมโดยจับสัญญาณออปติกโดยอ้อมผ่านไอออนเสริมแล้วจึงถ่ายโอนพลังงานไปยังเออร์เบียม

หลักการของเลเซอร์เออร์เบียมนั้นคล้ายคลึงกับเลเซอร์โฮลเมียม แต่มีพลังงานต่ำกว่าเลเซอร์โฮลเมียมมาก เลเซอร์เออร์เบียมที่มีความยาวคลื่น 2940 นาโนเมตรสามารถใช้ตัดเนื้อเยื่ออ่อนได้ แม้ว่าเลเซอร์ประเภทนี้ในช่วงอินฟราเรดกลางจะมีความสามารถในการทะลุทะลวงต่ำ แต่ความชื้นในเนื้อเยื่อของมนุษย์สามารถดูดซับได้อย่างรวดเร็ว ทำให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีด้วยพลังงานที่น้อยกว่า สามารถตัด เจียร และกำจัดเนื้อเยื่ออ่อนได้อย่างละเอียด ทำให้แผลหายเร็ว เลเซอร์ชนิดนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผ่าตัดด้วยเลเซอร์ เช่น ช่องปาก ต้อกระจกขาว ความงาม การลบรอยแผลเป็น และการลบริ้วรอย

ในปี 1985 มหาวิทยาลัยเซาแทมป์ตันในสหราชอาณาจักรและมหาวิทยาลัยนอร์ทอีสเทิร์นในญี่ปุ่นประสบความสำเร็จในการพัฒนาเครื่องขยายสัญญาณใยแก้วนำแสงที่ผสมเออร์เบียม ปัจจุบัน Wuhan Optics Valley ในเมืองอู่ฮั่น มณฑลหูเป่ย ประเทศจีน สามารถผลิตเครื่องขยายสัญญาณใยแก้วนำแสงที่ผสมเออร์เบียมนี้เองและส่งออกไปยังอเมริกาเหนือ ยุโรป และที่อื่นๆ ได้ การใช้งานนี้เป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง ตราบใดที่มีการผสมเออร์เบียมในปริมาณหนึ่ง ก็สามารถชดเชยการสูญเสียสัญญาณออปติกในระบบสื่อสารได้ เครื่องขยายสัญญาณนี้เป็นอุปกรณ์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง ซึ่งสามารถส่งสัญญาณออปติกได้โดยไม่อ่อนลง