חשב את מקדם הספיגה של שני פוטונים על ידי הזנת פרמטרים של אורך גל, אינטנסיביות, ומשך פULSE. חיוני למחקר ויישומים באופטיקה לא ליניארית.
This calculator helps you determine the two-photon absorption coefficient based on the wavelength, intensity, and pulse duration of the incident light. Enter the required parameters below to get the result.
β = K × (I × τ) / λ²
Where:
The wavelength of the incident light (400-1200 nm is typical)
The intensity of the incident light (typically 10¹⁰ to 10¹⁴ W/cm²)
The duration of the light pulse (typically 10-1000 fs)
ספיגת פוטונים כפולים (TPA) היא תהליך אופטי לא ליניארי שבו מולקולות סופגות בו זמנית שני פוטונים כדי להגיע למצב אנרגיה גבוה יותר. המחשבון החינמי שלנו לספיגת פוטונים כפולים מחשב מיד את מקדם הספיגה של פוטונים כפולים (β) באמצעות פרמטרים של אורך גל, אינטנסיביות, ומשך פULSE, מה שהופך אותו חיוני עבור חוקרים באופטיקה לא ליניארית, מיקרוסקופיה של פוטונים כפולים, ויישומי תרפיה פוטודינמית.
המחשבון המתקדם הזה מפשט חישובים מורכבים של מקדם TPA שהם קריטיים לאופטימיזציה של פרמטרי לייזר במחקר מדעי וביישומים תעשייתיים. בין אם אתה מעצב מערכות אחסון אופטיות, מפתח טכניקות מיקרוסקופיה חדשות, או חוקר חומרים אופטיים לא ליניאריים, הכלי שלנו מספק תוצאות מדויקות בשניות.
ספיגת פוטונים כפולים היא תהליך מכני קוונטי שבו חומר סופג בו זמנית שני פוטונים כדי לעבור למצב נלהב. בניגוד לספיגת פוטון בודד מסורתית, TPA מציגה תלות ריבועית באינטנסיביות, מה שמספק שליטה מרחבית יוצאת דופן ליישומים מדויקים.
מקדם הספיגה של פוטונים כפולים (β) quantifies את היעילות של חומר בתהליך לא ליניארי זה. תחילה חזה על ידי זוכת פרס נובל מריה גופרט-מאייר בשנת 1931, ספיגת פוטונים כפולים נותרה תיאורטית עד שטכנולוגיית הלייזר אפשרה את התצפית הניסיונית שלה בשנת 1961.
היום, חישובי TPA הם בסיסיים עבור:
מקדם הספיגה של פוטונים כפולים (β) ניתן לחישוב באמצעות הנוסחה הפשוטה הבאה:
איפה:
נוסחה זו מייצגת מודל פשוט שמקיף את הפיזיקה הבסיסית של ספיגת פוטונים כפולים. במציאות, מקדם הספיגה של פוטונים כפולים תלוי גם בתכונות החומר ובמעברים האלקטרוניים הספציפיים המעורבים. עם זאת, ההערכה הזו מספקת נקודת התחלה טובה עבור רבים מהיישומים המעשיים.
אורך גל (λ): נמדד בננומטרים (nm), זהו אורך הגל של האור הנופל. TPA מתרחשת בדרך כלל באורכי גל בין 400-1200 nm, כאשר היעילות פוחתת באורכי גל ארוכים יותר. המקדם תלוי באופן הפוך בריבוע באורך הגל.
אינטנסיביות (I): נמדדת ב-W/ס"מ², זה מייצג את הכוח ליחידת שטח של האור הנופל. TPA דורשת אינטנסיביות גבוהה, בדרך כלל בטווח של 10¹⁰ עד 10¹⁴ W/ס"מ². המקדם משתנה ליניארית עם האינטנסיביות.
משך הפULSE (τ): נמדד בפמטושניות (fs), זהו משך הפULSE של האור. ערכים טיפוסיים נעים בין 10 ל-1000 fs. המקדם משתנה ליניארית עם משך הפULSE.
קבוע (K): קבוע חסר ממד (1.5 במודל שלנו) מתחשב בתכונות שונות של החומר ובהמרות יחידות. במודלים מפורטים יותר, זה יוחלף בפרמטרים ספציפיים לחומר.
המחשבון שלנו למקדם TPA מפשט חישובים מורכבים של ספיגת פוטונים כפולים דרך ממשק אינטואיטיבי. עקוב אחרי הצעדים הבאים כדי לחשב את מקדם הספיגה של פוטונים כפולים שלך:
הכנס את אורך הגל: הזן את אורך הגל של האור הנופל שלך בננומטרים (nm). ערכים טיפוסיים נעים בין 400 ל-1200 nm.
הכנס את האינטנסיביות: הזן את האינטנסיביות של מקור האור שלך ב-W/ס"מ². תוכל להשתמש בכת notation מדעית (למשל, 1e12 עבור 10¹²).
הכנס את משך הפULSE: הזן את משך הפULSE בפמטושניות (fs).
צפה בתוצאה: המחשבון יציג מיד את מקדם הספיגה של פוטונים כפולים בס"מ/GW.
העתק את התוצאה: השתמש בכפתור "העתק תוצאה" כדי להעתיק את הערך המחושב ללוח שלך.
המחשבון מספק גם:
המחשבון מבצע מספר בדיקות אימות כדי להבטיח תוצאות מדויקות:
בעוד שהמחשבון עדיין יחשב תוצאות עבור ערכים מחוץ לטווחים הללו, הדיוק של המודל הפשוט עשוי להתמעט.
המחשבון משתמש בנוסחה המוזכרת לעיל כדי לחשב את מקדם הספיגה של פוטונים כפולים. הנה פירוט שלב אחר שלב של תהליך החישוב:
לדוגמה, עם אורך גל = 800 nm, אינטנסיביות = 10¹² W/ס"מ², ומשך הפULSE = 100 fs:
מקדם הספיגה של פוטונים כפולים הוא קריטי לאופטימיזציה של ביצועים במגוון יישומי TPA במחקר מדעי ובתעשייה:
מיקרוסקופיה של פוטונים כפולים מנצלת את TPA כדי להשיג הדמיה תלת-ממדית ברזולוציה גבוהה של דגימות ביולוגיות. התלות הריבועית באינטנסיביות מגבילה באופן טבעי את ההתרגשות לנקודת הפוקוס, מה שמפחית פוטובליצ'ינג ופוטוטוקסיות באזורים מחוץ לפוקוס.
דוגמה: חוקר המשתמש בלייזר Ti:Sapphire ב-800 nm עם פULSE של 100 fs צריך לחשב את מקדם הספיגה של פוטונים כפולים כדי לאופטימיזציה של עומק ההדמיה ברקמת המוח. באמצעות המחשבון שלנו עם אינטנסיביות = 5×10¹² W/ס"מ², הם יכולים לקבוע במהירות β = 1.17 ס"מ/GW.
התרגשות פוטונים כפולים מאפשרת הפעלה מדויקת של חומרים רגישים לאור בעומקים גדולים יותר של רקמות באמצעות אור אינפרא אדום קרוב, אשר חודר לרקמות בצורה יעילה יותר מאור נראה.
דוגמה: חוקר רפואי המפתח חומר רגיש חדש לסרטן צריך לאפיין את תכונות הספיגה של פוטונים כפולים שלו. באמצעות המחשבון שלנו, הם יכולים לקבוע את אורך הגל ואינטנסיביות האופטימליים להשגת השפעה טיפולית מקסימלית תוך צמצום הנזק לרקמות בריאות סמוכות.
TPA מאפשרת אחסון נתונים אופטיים תלת-ממדיים עם צפיפות גבוהה וסלקטיביות. על ידי מיקוד קרן לייזר בתוך חומר רגיש לאור, ניתן לכתוב נתונים בקואורדינטות תלת-ממדיות ספציפיות.
דוגמה: מהנדס המפתח מדיום אחסון אופטיים חדש צריך לחשב את מקדם הספיגה של פוטונים כפולים כדי לקבוע את מינימום הכוח של הלייזר הנדרש לכתיבת נתונים אמינה תוך הימנעות מהצלבה בין מיקומי אחסון סמוכים.
פולימריזציה של פוטונים כפולים מאפשרת יצירת מבנים תלת-ממדיים מורכבים עם גדלים מתחת לגבול ההפרדה.
דוגמה: מדען חומרים המפתח פולימר רגיש חדש למיקרו-ייצור תלת-ממדי משתמש במחשבון שלנו כדי לקבוע את פרמטרי הלייזר האופטימליים (אורך גל, אינטנסיביות, משך פULSE) להשגת היעילות והפתרון המרחבי הרצויים.
חומרים עם מקדמי ספיגה גבוהים של פוטונים כפולים יכולים לשמש כמגבילי אור כדי להגן על רכיבים אופטיים רגישים מפולסי לייזר בעוצמה גבוהה.
דוגמה: קבלן הגנה המפתח משקפי מגן לטייסים צריך לחשב את מקדם הספיגה של פוטונים כפולים של חומרים שונים כדי לזהות את אלה המספקים הגנה אופטימלית מפני איומים של לייזר תוך שמירה על ראות טובה בתנאים רגילים.
בעוד שספיגת פוטונים כפולים מצטיינת בהרבה יישומים, תהליכים אופטיים לא ליניאריים אחרים עשויים להיות אופטימליים עבור תרחישים ספציפיים הדורשים תכונות שונות של מקדם TPA:
ספיגת פוטונים שלושה: מציעה ריכוז מרחבי גדול יותר וחדירה עמוקה יותר אך דורשת אינטנסיביות גבוהה יותר.
הפקת הרמוניה שנייה (SHG): ממירה שני פוטונים באותו תדירות לפוטון אחד בתדירות כפולה, שימושי להמרת תדירות ולהדמיה של קולגן ומבנים לא מרכזיים אחרים.
פיזור רמאן ממריץ (SRS): מספק ניגוד כימי חופשי מתוויות על בסיס מצבים רטטיים, שימושי להדמיה של שומנים ומולקולות ביולוגיות אחרות.
מיקרוסקופיה קונפוקלית של פוטון בודד: פשוטה וזולה יותר ממיקרוסקופיה של פוטונים כפולים, אך עם חדירה פחותה יותר ויותר פוטובליצ'ינג.
טומוגרפיה של קוהרנטיות אופטית (OCT): מספקת הדמיה מבנית עם חדירה גבוהה אך רזולוציה נמוכה יותר ממיקרוסקופיה של פוטונים כפולים.
הבסיס התיאורטי לספיגת פוטונים כפולים הונח על ידי מריה גופרט-מאייר בדיסרטציה שלה בשנת 1931, שבה היא חזתה כי אטום או מולקולה יכולים לספוג בו זמנית שני פוטונים באירוע קוונטי אחד. על עבודה פורצת דרך זו, היא קיבלה מאוחר יותר את פרס נובל לפיזיקה בשנת 1963.
עם זאת, האימות הניסיוני של ספיגת פוטונים כפולים היה צריך לחכות עד להמצאת הלייזר בשנת 1960, שסיפק את האינטנסיביות הגבוהה הנדרשת כדי לצפות בתופעה אופטית לא ליניארית זו. בשנת 1961, קייזר וגרטט במעבדות בל דיווחו על התצפית הניסיונית הראשונה של ספיגת פוטונים כפולים בקריסטל דופק אירופיום.
פיתוח לייזרי פולס קצרי מאוד בשנות ה-80 וה-90, במיוחד הלייזר Ti:Sapphire, מהפך את התחום על ידי מתן אינטנסיביות שיא גבוהה ויכולת כוונון באורך גל אידיאלי להתרגשות פוטונים כפולים. זה הוביל להמצאת מיקרוסקופיית פוטונים כפולים על ידי וינפריד דנק, ג'יימס סטריקלר, וואט ווב באוניברסיטת קורנל בשנת 1990, שהפכה מאז לכלי חיוני בהדמיה ביולוגית.
בעשורים האחרונים, המחקר התמקד בפיתוח חומרים עם חציצות ספיגה משופרות של פוטונים כפולים, הבנת הקשרים בין מבנה לתכונה המנחים את TPA, והרחבת היישומים של תהליכים פוטונים כפולים בתחומים החל מביומדיצינה ועד טכנולוגיית מידע.
המדידה והחישוב של מקדמי ספיגה של פוטונים כפולים התפתחו מסטים ניסיוניים מורכבים לשיטות חישוב נגישות יותר ומודלים פשוטים כמו זה המשמש במחשבון שלנו, מה שהופך את הפרמטר החשוב הזה לנגיש יותר לחוקרים במגוון תחומים.
ממש את חישובי מקדם הספיגה של פוטונים כפולים בשפת התכנות המועדפת עליך באמצעות דוגמאות נוסחת TPA אלו:
1def calculate_tpa_coefficient(wavelength, intensity, pulse_duration, k=1.5):
2 """
3 Calculate the two-photon absorption coefficient.
4
5 Parameters:
6 wavelength (float): Wavelength in nanometers
7 intensity (float): Intensity in W/cm²
8 pulse_duration (float): Pulse duration in femtoseconds
9 k (float): Constant (default: 1.5)
10
11 Returns:
12 float: Two-photon absorption coefficient in cm/GW
13 """
14 # Convert intensity from W/cm² to GW/cm²
15 intensity_gw = intensity / 1e9
16
17 # Calculate two-photon absorption coefficient
18 beta = k * (intensity_gw * pulse_duration) / (wavelength ** 2)
19
20 return beta
21
22# Example usage
23wavelength = 800 # nm
24intensity = 1e12 # W/cm²
25pulse_duration = 100 # fs
26
27beta = calculate_tpa_coefficient(wavelength, intensity, pulse_duration)
28print(f"Two-photon absorption coefficient: {beta:.6f} cm/GW")
29function calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration, k = 1.5
גלה עוד כלים שעשויים להיות שימושיים עבור זרימת העבודה שלך