エルビウム（Er）
エルビウム（Er）は原子番号68のランタノイドであり、希土類元素の一つである。銀白色で延性に富み、常温では酸素・水分と緩やかに反応して表面に酸化被膜を形成する。3価イオンEr³⁺の4f内殻準位遷移に由来する鋭い発光・吸収特性を示し、特に1.55 μm帯の光通信に不可欠なEDFA（Erbium-Doped Fiber Amplifier）で中核的役割を担う。ガラスや結晶へのドーピングにより、スペクトル制御・増幅・レーザー発振など多用途で機能する。[/toc]
位置づけと歴史的背景
エルビウム（Er）はスウェーデンのイッテルビー鉱山に由来する名称を持ち、同鉱床からはイットリウム群の元素が複数同定された。分離はイオン交換・溶媒抽出の発展とともに進み、高純度化により光学デバイス応用が拡大した。地殻存在度は中庸で、ランタノイド中では比較的入手性が安定している。
原子特性・物性
電子配置は[Xe]4f126s2で、安定酸化数は+3である。融点は約1529 ℃、沸点は約2868 ℃、密度は約9.07 g/cm3である。4f電子が遮蔽されるため化学結合長の変化は小さく、イオン半径は3価で約0.89 Å（VIII配位）とされる。低温では磁気秩序を示し得るが、実用上は主に光学特性が重視される。
化学的性質と主要化合物
水溶液ではEr³⁺が優勢で、加水分解により加熱下で水酸化物Er(OH)3を生じる。酸化物Er2O3（エルビウム(III)酸化物）は淡桃色で、ガラス着色・蛍光母材として用いられる。無水ハロゲン化物ErCl3・ErF3は結晶ドーピングや前駆体に重要であり、溶融塩や有機配位子系での錯形成も制御性が高い。
光学特性とエネルギー準位
エルビウム（Er）のEr³⁺は、基底多重項4I15/2と励起準位4I13/2間の遷移により、1.53 μm近傍で強い発光・吸収を持つ。これはシリカ光ファイバの低損失窓（C帯）と一致し、EDFAにおける利得媒体として最適である。励起は980 nmまたは1480 nm励起が一般的で、分割準位・格子場効果が発光線幅・寿命を調整する。
産業用途（光通信・レーザー）
- EDFA：長距離・大容量光通信で不可欠なインライン増幅器の利得媒体。
- ファイバレーザー：Er添加シリカファイバで1.55 μm帯の精密加工・センシング。
- Er:YAGレーザー：YAG結晶（Y3Al5O12）へのErドープにより2.94 μmで発振し、歯科・皮膚科でのアブレーションに用いる。
- 着色・蛍光材料：ガラス・セラミックスに微量添加し、安定した桃色調と近赤外発光を付与。
資源鉱物と製錬プロセス
主な鉱物はモナズ石やバストネサイトで、他ランタノイドと共存する。選鉱後、酸・塩基処理と溶媒抽出・イオン交換で分離精製し、酸化物Er2O3を得る。金属Erは塩化物のカルシウム還元や電解で製造される。供給は中国を中心に多極化しつつあり、需要は光通信と医療レーザーで安定推移している。
材料設計の観点
ホスト材料（シリカ、蛍光ガラス、結晶）の格子場・フォノンエネルギーはEr³⁺の放射寿命・量子効率に直結する。高濃度ドープではイオン間相互作用に起因する自己消光やアップコンバージョンが起きやすく、最適濃度と共添加（Al、P、Ybなど）で利得・耐光損傷性・熱特性のバランスを取ることが重要である。
信頼性・評価手法
EDFAでは利得平坦化、雑音指数（NF）、飽和出力、励起効率が主要指標である。分光測定で吸収・発光断面積や寿命（ミリ秒オーダ）を評価し、環境試験で温度・湿度・光励起ストレス下の劣化（色中心形成、ヒドロキシル基による消光）を検証する。光学接続部は反射（RI）・戻り光管理とクリーン度管理が必須である。
安全・取り扱い
金属粉は可燃性・発火性を持つため、粉じんの発生抑制と不活性雰囲気下の加工作業が望ましい。Er化合物の毒性は総じて低いが、塩化物・硝酸塩など可溶性塩は皮膚・粘膜刺激に留意する。レーザー装置では波長帯に適合した保護眼鏡とインターロック設計を遵守する。
同位体と核的性質
エルビウム（Er）には複数の安定同位体が存在し、そのうち167Erは核スピンを持つためEPRや量子材料研究で参照される。中性子捕獲断面積は中程度で、制御材用途は主流ではないが、ガラス・結晶中での放射化挙動は装置安全評価で考慮される。
環境影響とリサイクル
製錬・分離工程では酸・有機溶媒を用いるため、排液処理と溶媒回収が環境負荷低減の鍵である。廃EDFA・レーザー機器からのリサイクルでは、希薄ドープでも集約回収のスキーム設計により経済性が向上する。高純度Er2O3の再資源化は供給安定化に資する。
用語メモ（EDFA関連）
C帯（約1530–1565 nm）とL帯（約1565–1625 nm）はシリカ光ファイバの低損失領域である。EDFAはポンプ光（980 nm/1480 nm）によりEr³⁺を励起し、信号光を刺激放出で増幅する。利得平坦化は長距離WDM伝送で重要となる。
加工・成形上の注意
Er添加ガラスは熱履歴で発光寿命が変化し得るため、溶融・徐冷条件を最適化する。結晶ホストの育成ではドーパント分布と格子欠陥を最小化するため、引上げ速度・雰囲気制御を厳密に行う。