Élément de terre rare magique : l'ytterbium

YtterbiumNuméro atomique 70, masse atomique 173,04, nom de l'élément dérivé de son lieu de découverte. Le contenu deytterbiumdans la croûte est de 0,000266%, principalement présent dans les gisements de phosphorite et d'or noir rare, tandis que la teneur en monazite est de 0,03%, avec 7 isotopes naturels.

À la découverte de l'histoire

Découvert par : Marinak

Heure : 1878

Localisation : Suisse 

En 1878, les chimistes suisses Jean Charles et G. Marignac découvrent un nouvel élément de terre rare, l'erbium. En 1907, Ulban et Weils soulignent que Marignac sépare un mélange d'oxyde de lutécium et d'oxyde d'ytterbium. En souvenir du petit village d'Yteerby, près de Stockholm, où du minerai d'yttrium fut découvert, ce nouvel élément est baptisé Ytterbium, symbole Yb.

Configuration électronique

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14

Métal

Ytterbium métalliqueL'ytterbium est gris argenté, ductile et de texture souple. À température ambiante, il peut être lentement oxydé par l'air et l'eau.

Il existe deux structures cristallines : α- Le type est un système cristallin cubique à faces centrées (température ambiante -798 ℃) ; β- Le type est un réseau cubique centré (au-dessus de 798 ℃). Point de fusion 824 ℃, point d'ébullition 1427 ℃, densité relative 6,977（ α- Type), 6,54（ β- Type).

Insoluble dans l'eau froide, soluble dans les acides et l'ammoniac liquide. Il est relativement stable à l'air. Comme le samarium et l'europium, l'ytterbium appartient aux terres rares à valence variable et peut également être à l'état bivalent positif, en plus d'être généralement trivalent.

En raison de cette caractéristique de valence variable, la préparation de l'ytterbium métallique ne doit pas être effectuée par électrolyse, mais par distillation réductrice pour la préparation et la purification. Généralement,métal lanthaneIl est utilisé comme agent réducteur pour la distillation réductrice, en exploitant la différence entre la pression de vapeur élevée de l'ytterbium métallique et la faible pression de vapeur du lanthane métallique. Alternativement,thulium, ytterbium, etlutéciumLes concentrés peuvent être utilisés comme matières premières, et le lanthane métallique peut servir d'agent réducteur. Dans des conditions de vide à haute température (> 1 100 °C et < 0,133 Pa), l'ytterbium métallique peut être extrait directement par distillation réductrice.samariumeteuropium,L'ytterbium peut également être séparé et purifié par réduction humide. On utilise généralement des concentrés de thulium, d'ytterbium et de lutécium comme matières premières. Après dissolution, l'ytterbium est réduit à l'état bivalent, ce qui entraîne des différences significatives de propriétés, puis séparé des autres terres rares trivalentes. La production d'oxyde d'ytterbium de haute pureté s'effectue généralement par chromatographie d'extraction ou par échange d'ions.

Application

Utilisé pour la fabrication d'alliages spéciaux.Alliages d'ytterbiumont été appliqués en médecine dentaire pour des expériences métallurgiques et chimiques.

Ces dernières années, l’ytterbium a émergé et s’est rapidement développé dans les domaines de la communication par fibre optique et de la technologie laser.

Avec la construction et le développement des « autoroutes de l'information », les réseaux informatiques et les systèmes de transmission par fibre optique longue distance imposent des exigences de plus en plus élevées en matière de performances des matériaux utilisés pour les fibres optiques. Grâce à leurs excellentes propriétés spectrales, les ions ytterbium peuvent être utilisés comme matériaux d'amplification pour les fibres optiques, tout commeerbiumetthuliumBien que l'erbium, une terre rare, reste le principal acteur dans la préparation des amplificateurs à fibre, les fibres de quartz dopées à l'erbium traditionnelles présentent une faible bande passante de gain (30 nm), ce qui complique la satisfaction des exigences de transmission d'informations à haut débit et à haute capacité. Les ions Yb3+ présentent une section efficace d'absorption bien supérieure à celle des ions Er3+ autour de 980 nm. Grâce à l'effet de sensibilisation de l'Yb3+ et au transfert d'énergie de l'erbium et de l'ytterbium, la lumière à 1530 nm peut être considérablement amplifiée, améliorant ainsi considérablement son efficacité d'amplification.

Ces dernières années, le verre phosphaté dopé erbium-ytterbium co-dopé a été de plus en plus plébiscité par les chercheurs. Les verres phosphatés et fluorophosphatés présentent une bonne stabilité chimique et thermique, ainsi qu'une large transmittance infrarouge et un élargissement non uniforme important, ce qui en fait des matériaux idéaux pour les fibres optiques d'amplification à large bande et à gain élevé, dopées à l'erbium. Les amplificateurs à fibre dopée Yb3+ permettent une amplification de puissance et de faible signal, ce qui les rend adaptés à des domaines tels que les capteurs à fibre optique, la communication laser en espace libre et l'amplification d'impulsions ultracourtes. La Chine a actuellement construit le système de transmission optique à canal unique le plus performant et le plus rapide au monde, et possède la plus grande autoroute de l'information au monde. Les amplificateurs à fibre et les matériaux laser dopés à l'ytterbium et aux autres terres rares jouent un rôle crucial et significatif dans ces domaines.

Les caractéristiques spectrales de l'ytterbium sont également utilisées comme matériaux laser de haute qualité, aussi bien pour les cristaux laser, les verres laser et les lasers à fibre. En tant que matériau laser de haute puissance, les cristaux laser dopés à l'ytterbium constituent une vaste gamme, notamment ceux dopés à l'ytterbium.yttrium aluminiumgrenat (Yb:YAG), dopé à l'ytterbiumgadoliniumFrançais grenat de gallium (Yb: GGG), fluorophosphate de calcium dopé à l'ytterbium (Yb: FAP), fluorophosphate de strontium dopé à l'ytterbium (Yb: S-FAP), vanadate d'yttrium dopé à l'ytterbium (Yb: YV04), borate dopé à l'ytterbium et silicate. Le laser à semi-conducteur (LD) est un nouveau type de source de pompage pour les lasers à solide. Yb: YAG présente de nombreuses caractéristiques adaptées au pompage LD à haute puissance et est devenu un matériau laser pour le pompage LD à haute puissance. Le cristal Yb: S-FAP pourrait être utilisé comme matériau laser pour la fusion nucléaire laser à l'avenir, ce qui a attiré l'attention du public. Dans les cristaux laser accordables, il existe du grenat de chrome ytterbium holmium yttrium aluminium gallium (Cr, Yb, Ho: YAGG) avec des longueurs d'onde allant de 2,84 à 3,05 μ Réglable en continu entre m. Français Selon les statistiques, la plupart des ogives infrarouges utilisées dans les missiles dans le monde utilisent 3-5 μ Par conséquent, le développement de lasers Cr, Yb, Ho: YSGG peut fournir une interférence efficace pour les contre-mesures d'armes guidées dans l'infrarouge moyen et revêt une importance militaire importante. La Chine a obtenu une série de résultats innovants de niveau international avancé dans le domaine des cristaux laser dopés à l'ytterbium (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP, etc.), en résolvant des technologies clés telles que la croissance cristalline et la sortie laser rapide, pulsée, continue et réglable. Les résultats de la recherche ont été appliqués à la défense nationale, à l'industrie et à l'ingénierie scientifique, et les produits à cristaux dopés à l'ytterbium ont été exportés vers de nombreux pays et régions comme les États-Unis et le Japon.

Le verre laser est une autre catégorie importante de matériaux pour lasers à l'ytterbium. Différents verres laser à haute section efficace d'émission ont été développés, notamment le tellurite de germanium, le niobate de silicium, le borate et le phosphate. Grâce à sa facilité de moulage, il peut être fabriqué en grandes dimensions et présente des caractéristiques telles qu'une transmission lumineuse élevée et une grande uniformité, permettant ainsi la production de lasers de forte puissance. Le verre laser à base de terres rares, bien connu, était autrefois principalement utilisé.néodymeLe verre, dont le développement remonte à plus de 40 ans et qui bénéficie d'une technologie de production et d'application éprouvée, a toujours été le matériau privilégié pour les dispositifs laser de haute puissance et a été utilisé dans les dispositifs expérimentaux de fusion nucléaire et les armes laser. Les dispositifs laser de haute puissance fabriqués en Chine, composés de lasersnéodymeLe verre, principal support laser, a atteint un niveau de pointe mondial. Cependant, le verre au néodyme laser est désormais confronté à un défi de taille, celui du verre à l'ytterbium laser.

Ces dernières années, un grand nombre d'études ont montré que de nombreuses propriétés du verre d'ytterbium laser dépassent celles dunéodymeVerre. La luminescence dopée à l'ytterbium n'ayant que deux niveaux d'énergie, son efficacité de stockage d'énergie est élevée. À gain égal, le verre d'ytterbium présente une efficacité de stockage d'énergie 16 fois supérieure à celle du verre néodyme et une durée de vie de fluorescence 3 fois supérieure. Il présente également des avantages tels qu'une concentration de dopage élevée, une bande passante d'absorption élevée et la possibilité d'être pompé directement par des semi-conducteurs, ce qui le rend particulièrement adapté aux lasers de forte puissance. Cependant, l'application pratique du verre laser à l'ytterbium repose souvent sur l'utilisation du néodyme, par exemple avec l'utilisation de Nd3+ comme sensibilisateur pour permettre son fonctionnement à température ambiante et l'émission laser μ à la longueur d'onde m. Ainsi, l'ytterbium et le néodyme sont à la fois concurrents et partenaires dans le domaine du verre laser.

En ajustant la composition du verre, de nombreuses propriétés luminescentes du verre laser à l'ytterbium peuvent être améliorées. Avec le développement des lasers de haute puissance comme principale orientation, les lasers en verre laser à l'ytterbium sont de plus en plus utilisés dans l'industrie moderne, l'agriculture, la médecine, la recherche scientifique et les applications militaires.

Utilisation militaire : L'exploitation de l'énergie issue de la fusion nucléaire a toujours été un objectif ambitieux, et la fusion nucléaire contrôlée constituera un moyen important pour l'humanité de résoudre les problèmes énergétiques. Le verre laser dopé à l'ytterbium devient le matériau privilégié pour la mise à niveau de la fusion par confinement inertiel (ICF) au XXIe siècle grâce à ses excellentes performances laser.

Les armes laser utilisent l'énorme énergie d'un faisceau laser pour frapper et détruire des cibles, générant des températures atteignant des milliards de degrés Celsius et attaquant directement à la vitesse de la lumière. Appelées Nadana, elles présentent une grande létalité, particulièrement adaptées aux systèmes d'armes de défense aérienne modernes. Les excellentes performances du verre laser dopé à l'ytterbium en ont fait un matériau de base essentiel pour la fabrication d'armes laser haute puissance et hautes performances.

Le laser à fibre est une nouvelle technologie en plein essor, également utilisée dans le domaine des applications laser sur verre. Il utilise la fibre comme support laser, fruit de la combinaison des technologies fibre et laser. Développée à partir de la technologie d'amplification à fibre dopée à l'erbium (EDFA), cette nouvelle technologie laser est composée d'une diode laser à semi-conducteur comme source de pompage, d'un guide d'ondes à fibre optique et d'un milieu amplificateur, ainsi que de composants optiques tels que des fibres à réseau et des coupleurs. Il ne nécessite aucun réglage mécanique du trajet optique et son mécanisme est compact et facile à intégrer. Comparé aux lasers à solide et à semi-conducteur traditionnels, il présente des avantages technologiques et de performance tels qu'une qualité de faisceau élevée, une bonne stabilité, une forte résistance aux interférences environnementales, l'absence de réglage ni de maintenance, et une structure compacte. Grâce à la présence d'ions dopés principalement Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3 et Ho+3, tous utilisant des fibres de terres rares comme milieu amplificateur, le laser à fibre développé par la société peut également être qualifié de laser à fibre de terres rares.

Application laser : Ces dernières années, le laser à fibre double gaine dopée à l'ytterbium haute puissance est devenu un domaine d'intérêt majeur dans la technologie laser à solide à l'échelle internationale. Il présente les avantages d'une bonne qualité de faisceau, d'une structure compacte et d'un rendement de conversion élevé, et offre de vastes perspectives d'application dans le traitement industriel et d'autres domaines. Les fibres double gaine dopées à l'ytterbium sont adaptées au pompage laser à semi-conducteurs, avec un rendement de couplage élevé et une puissance de sortie laser élevée. Elles constituent le principal axe de développement des fibres dopées à l'ytterbium. La technologie chinoise des fibres double gaine dopées à l'ytterbium n'atteint plus le niveau de développement des pays étrangers. Les fibres dopées à l'ytterbium, les fibres double gaine dopées à l'ytterbium et les fibres co-dopées erbium-ytterbium développées en Chine ont atteint un niveau de performance et de fiabilité comparable à celui des produits étrangers similaires, présentent des avantages en termes de coûts et s'appuient sur des technologies brevetées pour de nombreux produits et procédés.

La société allemande IPG, de renommée mondiale, a récemment annoncé que son nouveau système laser à fibre dopée à l'ytterbium présentait d'excellentes caractéristiques de faisceau, une durée de vie de la pompe de plus de 50 000 heures, une longueur d'onde d'émission centrale de 1 070 à 1 080 nm et une puissance de sortie pouvant atteindre 20 kW. Il est utilisé pour le soudage de précision, la découpe et le forage de roches.

Les matériaux laser sont au cœur et à la base du développement de la technologie laser. Dans l'industrie laser, on a toujours dit : « Une génération de matériaux, une génération de dispositifs ». Pour développer des dispositifs laser avancés et pratiques, il est nécessaire de disposer de matériaux laser haute performance et d'intégrer d'autres technologies pertinentes. Les cristaux et verres laser dopés à l'ytterbium, nouvelle force des matériaux laser solides, favorisent le développement innovant des communications par fibre optique et de la technologie laser, notamment dans les technologies laser de pointe telles que les lasers à fusion nucléaire de haute puissance, les lasers à carreaux de battement de haute énergie et les lasers d'armes de haute énergie.

L'ytterbium est également utilisé comme activateur de poudre fluorescente, comme céramique radio, comme additif pour les composants de mémoire d'ordinateurs électroniques (bulles magnétiques) et comme additif pour verres optiques. Il convient de souligner que l'yttrium et l'yttrium sont tous deux des terres rares. Malgré des différences significatives entre les noms et les symboles des éléments en anglais, l'alphabet phonétique chinois possède les mêmes syllabes. Dans certaines traductions chinoises, l'yttrium est parfois appelé à tort « yttrium ». Dans ce cas, il est nécessaire de retracer le texte original et de combiner les symboles des éléments pour confirmer.