稀土金属在光学中的应用

来自因为贸易战的关系，稀土金属成为了热点。这一篇笔记就聊一聊稀土金属在光学中的应用。

稀土(rare earth)不是土，而是金属元素，具体是指元素周期表中第ⅢB族元素钪、钇和镧系元素共17种化学元素的合称，如下图所示。稀土元素在地壳中的含量并不低，之所以称为rare, 是指可用来开采的矿(富集度较高)比较少。由于稀土元素通常以氧化物的形式存在，长得像土，因而名字里带“土"。

(图片来自https://geology.com/articles/rare-earth-elements/)

种种原因，导致稀土元素的名字有点土(给娃起名的重要性)，但是这些元素在高科技行业发挥了非常重要的作用。

稀土元素主要的光学应用有：

1. 掺铒光纤放大器(EDFA)

在光纤中掺入Er元素，用来对光信号进行放大。EDFA是长距离光通信中的核心器件之一。Er离子有特殊的能级结构，当信号入射时，光子与Er离子发生相互作用，发生受激辐射过程，产生与信号光性质一样的光子，也就是对信号光进行了放大，如下图所示。

（图片来自http://www.fiber-optic-cable-sale.com/edfa-selection-guide.html）

2. 激光晶体

由于稀土金属具有丰富的能级结构，常用来作为激光晶体的激活离子。激光晶体的激光性能与晶体基质、激活离子的特性关系极大。目前已知的约320种激光晶体中，约290种是以稀土元素作为激活离子的，可见稀土元素在发展激光晶体材料中的重要作用。比较常见的激光器有Nd:YAG，输出波长为1064nm。1064nm激光进行倍频，就可以得到532nm的激光。这两种波长的激光是光学实验常用的两个波长。Nd离子的能级结构如下图所示，

（图片来自https://www.rp-photonics.com/yag_lasers.html）

其他常见的掺稀土离子的激光晶体主要有Er:YAG, Tm:YAG, Ho: YAG, 分别对应不同的发射波长。

3. 荧光材料

对于白光LED, 目前最常用的产生方式是蓝光芯片与黄色荧光粉组合产生白光，其原理是半导体芯片产生蓝光，蓝光与荧光粉作用发出黄光，黄光与蓝光为互补光，两者混合后获得白光。黄色荧光粉即由稀土元素构成，例如Ce:YAG。

稀土材料也常用作显示器的三色荧光粉，具有亮度高、对比度高等特性。

(图片来自http://www.materialsviewschina.com/2019/05/37263/)

4. 光隔离器

常用的光隔离器由钇铁石榴石构成，其中含钇元素。其主要利用法拉第效应，实现光的单向通过，如下图所示。光隔离器是激光器、光模块不可或缺的器件之一。

(图片来自https://www.researchgate.net/publication/221906919_Single_Mode_Operation_of_15-m_Waveguide_Optical_Isolators_Based_on_the_Nonreciprocal-loss_Phenomenon/figures?lo=1)

5. 玻璃的抛光研磨材料

主要利用氧化铈对玻璃或面板进行研磨加工，具有抛光速度快、光洁度以及抛光效率高的优点，应用十分广泛，包括光学镜头、眼镜片、显示器面板等的加工。

6. 高折射率玻璃

在玻璃中掺杂稀土元素，可形成高折射率的玻璃，并且色散较小，广泛应用于各种成像镜头中。徕兹公司(徕卡相机的前身)于1953年利用了镧的氧纪物开发了第一个成果LaK7光学玻璃，这种玻璃有比当时的其他光学玻璃有更高的折射率及较低的色散。该玻璃使得其光学镜头的最大光圈值由F3.5伸延至F2.8，如下图所示。

(图片来自https://info.xitek.com/favorites/201311/11-292050_6.html)

以上是对稀土金属在光学中应用的一个整理，可能不是很全面，欢迎大家留言补充。由于其丰富的电学结构，稀土金属可用于光通信、激光器、照明、显示、成像等领域，用途十分广泛。稀土金属常被称为“工业维生素”，似乎在材料里掺杂一点稀土金属，就可以化腐朽为神奇。最后贴一张稀土金属的庐山真面目，看看它是不是命中带土

（图片来自https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A8%80%E5%9C%9F%E9%87%91%E5%B1%9E）

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