બે-ફોટન શોષણ કેલ્ક્યુલેટર - નોનલિનિયર ઑપ્ટિક્સ માટે મફત ઑનલાઇન ટૂલ

બે-ફોટન શોષણ શું છે અને તેને કેવી રીતે ગણવું?

બે-ફોટન શોષણ (TPA) એ એક નોનલિનિયર ઑપ્ટિકલ પ્રક્રિયા છે જ્યાં એક અણુ એક સાથે બે ફોટન શોષણ કરે છે જેથી તે વધુ ઊર્જા રાજ્યમાં પહોંચે છે. એકલ-ફોટન શોષણની તુલનામાં, બે-ફોટન શોષણ પ્રકાશની તીવ્રતાના ચોરસ પર આધાર રાખે છે, જે માઇક્રોસ્કોપી અને ફોટોડાયનામિક થેરાપી જેવી અદ્યતન એપ્લિકેશન્સમાં ચોક્કસ સ્થાનાંતર નિયંત્રણને સક્ષમ બનાવે છે.

અમારો બે-ફોટન શોષણ કેલ્ક્યુલેટર તાત્કાલિક રીતે બે-ફોટન શોષણ ગુણાંક (β) ને ત્રણ મુખ્ય પેરામીટર્સ: તરંગદૈર્ઘ્ય, તીવ્રતા, અને પલ્સ સમયગાળોનો ઉપયોગ કરીને ગણવે છે. આ મફત ઑનલાઇન ટૂલ સંશોધકો, વિદ્યાર્થીઓ અને વ્યાવસાયિકોને તેમના નોનલિનિયર ઑપ્ટિક્સ સંશોધન અને એપ્લિકેશન્સ માટે મહત્વપૂર્ણ મૂલ્યો ઝડપથી નક્કી કરવામાં મદદ કરે છે.

આ નોનલિનિયર ઑપ્ટિકલ પરિપ્રેક્ષ્યને પ્રથમ 1931માં મારિયા ગોપર્ટ-મેયર દ્વારા ભવિષ્યવાણી કરવામાં આવી હતી, પરંતુ 1960ના દાયકામાં લેસરનો શોધ થવા સુધી પ્રયોગાત્મક રીતે જોવામાં આવ્યું નહોતું. આજે, બે-ફોટન શોષણ અનેક અદ્યતન એપ્લિકેશન્સ માટે મૂળભૂત છે જેમાં માઇક્રોસ્કોપી, ફોટોડાયનામિક થેરાપી, ઑપ્ટિકલ ડેટા સ્ટોરેજ, અને માઇક્રોફેબ્રિકેશનનો સમાવેશ થાય છે.

બે-ફોટન શોષણ ગુણાંક (β) એ સામગ્રીની બે ફોટન એક સાથે શોષણ કરવાની ક્ષમતા માપે છે. આ કેલ્ક્યુલેટર પલ્સ સમયગાળો, પ્રકાશની તીવ્રતા અને પ્રવેશિત પ્રકાશના તરંગદૈર્ઘ્યના આધારે β નો અંદાજ લગાવવા માટે એક સરળ મોડેલનો ઉપયોગ કરે છે—જે સંશોધકો, વિદ્યાર્થીઓ અને વ્યાવસાયિકોને આ મહત્વપૂર્ણ પેરામીટર ગણવા માટે ઝડપી માર્ગ પ્રદાન કરે છે.

બે-ફોટન શોષણ ગુણાંકનું સૂત્ર અને ગણતરી

બે-ફોટન શોષણ ગુણાંક (β) નીચેના સરળ સૂત્રનો ઉપયોગ કરીને ગણવામાં આવી શકે છે:

$\beta = K \times \frac{I \times \tau}{\lambda^2}$

જ્યાં:

• $\beta$ = બે-ફોટન શોષણ ગુણાંક (સેમી/જીડબલ્યુ)
• $K$ = સ્થિર (અમારા સરળ મોડેલમાં 1.5)
• $I$ = પ્રવેશિત પ્રકાશની તીવ્રતા (વાટ/cm²)
• $\tau$ = પલ્સ સમયગાળો (ફેમ્ટોસેકન્ડ, fs)
• $\lambda$ = પ્રવેશિત પ્રકાશનું તરંગદૈર્ઘ્ય (નાનોમિટર, nm)

આ સૂત્ર એક સરળ મોડેલને રજૂ કરે છે જે બે-ફોટન શોષણની મૂળભૂત ભૌતિકશાસ્ત્રને કૅપ્ચર કરે છે. વાસ્તવમાં, બે-ફોટન શોષણ ગુણાંક સામગ્રીના ગુણધર્મો અને સામેલ વિશિષ્ટ ઇલેક્ટ્રોનિક ટ્રાંઝિશન્સ પર પણ આધાર રાખે છે. જોકે, આ અંદાજ ઘણા વ્યાવસાયિક એપ્લિકેશન્સ માટે એક સારું શરૂઆતનું બિંદુ પ્રદાન કરે છે.

ચલને સમજવું

1. તરંગદૈર્ઘ્ય (λ): નાનોમિટરમાં (nm) માપવામાં આવે છે, આ પ્રવેશિત પ્રકાશનું તરંગદૈર્ઘ્ય છે. TPA સામાન્ય રીતે 400-1200 nm વચ્ચેના તરંગદૈર્ઘ્ય પર થાય છે, જેમાં લાંબા તરંગદૈર્ઘ્ય પર કાર્યક્ષમતા ઘટે છે. ગુણાંકનું તરંગદૈર્ઘ્ય પર વિરુદ્ધ ચોરસ આધાર છે.

2. તીવ્રતા (I): W/cm² માં માપવામાં આવે છે, આ પ્રવેશિત પ્રકાશના એકમ વિસ્તાર પર શક્તિને દર્શાવે છે. TPA માટે ઉચ્ચ તીવ્રતાની જરૂર છે, સામાન્ય રીતે 10¹⁰ થી 10¹⁴ W/cm² ની શ્રેણીમાં. ગુણાંક તીવ્રતાના સાથે રેખીય રીતે સ્કેલ કરે છે.

3. પલ્સ સમયગાળો (τ): ફેમ્ટોસેકન્ડ (fs) માં માપવામાં આવે છે, આ પ્રકાશ પલ્સનો સમયગાળો છે. સામાન્ય મૂલ્યો 10 થી 1000 fs ની શ્રેણીમાં હોય છે. ગુણાંક પલ્સ સમયગાળાના સાથે રેખીય રીતે સ્કેલ કરે છે.

4. સ્થિર (K): આ આકારમુક્ત સ્થિર (અમારા મોડેલમાં 1.5) વિવિધ સામગ્રીના ગુણધર્મો અને એકમ રૂપાંતરણો માટે જવાબદાર છે. વધુ વિગતવાર મોડેલોમાં, આને સામગ્રી-વિશિષ્ટ પેરામીટર્સ દ્વારા બદલવામાં આવશે.

બે-ફોટન શોષણ કેલ્ક્યુલેટરનો ઉપયોગ કેવી રીતે કરવો

અમારો બે-ફોટન શોષણ કેલ્ક્યુલેટર નીચેના પગલાંઓને અનુસરીને બે-ફોટન શોષણ ગુણાંક નક્કી કરવું સરળ બનાવે છે:

1. તરંગદૈર્ઘ્ય દાખલ કરો: તમારા પ્રવેશિત પ્રકાશનું તરંગદૈર્ઘ્ય નાનોમિટરમાં (nm) દાખલ કરો. સામાન્ય મૂલ્યો 400 થી 1200 nm ની શ્રેણીમાં હોય છે.

2. તીવ્રતા દાખલ કરો: તમારા પ્રકાશ સ્ત્રોતની તીવ્રતા W/cm² માં દાખલ કરો. તમે વૈજ્ઞાનિક નોંધણીનો ઉપયોગ કરી શકો છો (જેમ કે, 1e12 માટે 10¹²).

3. પલ્સ સમયગાળો દાખલ કરો: ફેમ્ટોસેકન્ડ (fs) માં પલ્સ સમયગાળો દાખલ કરો.

4. પરિણામ જુઓ: કેલ્ક્યુલેટર તાત્કાલિક રીતે cm/GW માં બે-ફોટન શોષણ ગુણાંક દર્શાવશે.

5. પરિણામ નકલ કરો: ગણવામાં આવેલ મૂલ્યને તમારા ક્લિપબોર્ડમાં નકલ કરવા માટે "નકલ પરિણામ" બટનનો ઉપયોગ કરો.

કેલ્ક્યુલેટર પણ પ્રદાન કરે છે:

• ડાયનામિક વિઝ્યુલાઇઝેશન દ્વારા દૃશ્ય ફીડબેક
• સામાન્ય શ્રેણી બહારના મૂલ્યો માટે ચેતવણી સંદેશાઓ
• પરિણામ કેવી રીતે પ્રાપ્ત થયું તે સમજાવતી ગણતરી વિગતો

ઇનપુટ માન્યતા અને મર્યાદાઓ

કેલ્ક્યુલેટર ચોકસાઈથી પરિણામો સુનિશ્ચિત કરવા માટે અનેક માન્યતા ચેક કરે છે:

• તમામ ઇનપુટ સકારાત્મક સંખ્યાઓ હોવા જોઈએ
• સામાન્ય શ્રેણી બહારના મૂલ્યો માટે ચેતવણીઓ દર્શાવવામાં આવે છે:
  • તરંગદૈર્ઘ્ય: 400-1200 nm
  • તીવ્રતા: 10¹⁰ થી 10¹⁴ W/cm²
  • પલ્સ સમયગાળો: 10-1000 fs

જ્યારે કેલ્ક્યુલેટર આ શ્રેણી બહારના મૂલ્યો માટે પરિણામો ગણશે, ત્યારે સરળ મોડેલની ચોકસાઈ ઘટી શકે છે.

ગણતરી પદ્ધતિ

કેલ્ક્યુલેટર ઉપર જણાવેલ સૂત્રનો ઉપયોગ કરીને બે-ફોટન શોષણ ગુણાંક ગણવા માટેની પ્રક્રિયાને પગલાં-દ્વારા વિભાજિત કરે છે:

1. તમામ ઇનપુટ પેરામીટર્સને માન્ય બનાવો જેથી તેઓ સકારાત્મક સંખ્યાઓ હોય
2. W/cm² માંથી GW/cm² માં તીવ્રતાને 10⁹ થી વહેંચીને રૂપાંતરિત કરો
3. સૂત્ર લાગુ કરો: β = K × (I × τ) / λ²
4. પરિણામને cm/GW માં દર્શાવો

ઉદાહરણ તરીકે, જો તરંગદૈર્ઘ્ય = 800 nm, તીવ્રતા = 10¹² W/cm², અને પલ્સ સમયગાળો = 100 fs:

• તીવ્રતાને રૂપાંતરિત કરો: 10¹² W/cm² ÷ 10⁹ = 10³ GW/cm²
• ગણતરી કરો: β = 1.5 × (10³ × 100) ÷ (800)² = 1.5 × 10⁵ ÷ 640,000 = 0.234375 cm/GW

સંશોધન અને ઉદ્યોગમાં બે-ફોટન શોષણના ઉપયોગો

બે-ફોટન શોષણના વિવિધ વૈજ્ઞાનિક અને ટેકનોલોજીકલ ક્ષેત્રોમાં અનેક ઉપયોગો છે:

1. બે-ફોટન માઇક્રોસ્કોપી

બે-ફોટન માઇક્રોસ્કોપી TPA નો ઉપયોગ કરીને જીવવિજ્ઞાનના નમૂનાઓનું ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન, ત્રણ-પરિમાણીય ઇમેજિંગ પ્રાપ્ત કરે છે. તીવ્રતાના ચોરસ આધારથી ઉત્સાહન ફોકલ પોઈન્ટ પર જ સીમિત થાય છે, જે ફોકલ પોઈન્ટની બહારના વિસ્તારોમાં ફોટોબ્લીચિંગ અને ફોટોટોક્સિસિટીને ઘટાડે છે.

ઉદાહરણ: એક સંશોધક 800 nm પર 100 fs પલ્સ સાથે Ti:Sapphire લેસરનો ઉપયોગ કરીને મગજના ટિશ્યૂમાં ઇમેજિંગની ઊંડાઈને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવા માટે બે-ફોટન શોષણ ગુણાંક ગણવા જરૂર છે. તીવ્રતા = 5×10¹² W/cm² સાથે અમારા કેલ્ક્યુલેટરનો ઉપયોગ કરીને, તેઓ ઝડપથી β = 1.17 cm/GW નક્કી કરી શકે છે.

2. ફોટોડાયનામિક થેરાપી

બે-ફોટન ઉત્સાહન નજીકના ઇન્ફ્રારેડ પ્રકાશનો ઉપયોગ કરીને વધુ ટિશ્યૂ ઊંડાઈઓ પર ફોટોસેન્સિટાઇઝર્સને ચોક્કસ રીતે સક્રિય કરવા માટે સક્ષમ બનાવે છે, જે દૃશ્ય પ્રકાશની તુલનામાં ટિશ્યૂમાં વધુ અસરકારક રીતે પ્રવેશ કરે છે.

ઉદાહરણ: એક મેડિકલ સંશોધક કેન્સરના ઉપચાર માટે નવા ફોટોસેન્સિટાઇઝર વિકસિત કરી રહ્યો છે, તેને તેના બે-ફોટન શોષણ ગુણધર્મોને વર્ણવવાની જરૂર છે. અમારા કેલ્ક્યુલેટરનો ઉપયોગ કરીને, તેઓ મહત્તમ થેરાપ્યુટિક અસર માટે શ્રેષ્ઠ તરંગદૈર્ઘ્ય અને તીવ્રતા નક્કી કરી શકે છે જ્યારે આસપાસના સ્વસ્થ ટિશ્યૂને નુકસાન ઘટાડે છે.

3. ઑપ્ટિકલ ડેટા સ્ટોરેજ

TPA ઉચ્ચ ઘનતા અને પસંદગી સાથે ત્રણ-પરિમાણીય ઑપ્ટિકલ ડેટા સ્ટોરેજને સક્ષમ બનાવે છે. ફોટોસેન્સિટિવ સામગ્રીની અંદર લેસર કિરણને કેન્દ્રિત કરીને, ડેટા ચોક્કસ ત્રણ-પરિમાણીય સમન્વય પર લખી શકાય છે.

ઉદાહરણ: એક ઇજનેર નવા ઑપ્ટિકલ સ્ટોરેજ માધ્યમને ડિઝાઇન કરી રહ્યો છે, તેને વિશ્વસનીય ડેટા લખવા માટેની ઓછામાં ઓછી લેસર શક્તિ નક્કી કરવા માટે બે-ફોટન શોષણ ગુણાંક ગણવાની જરૂર છે, જ્યારે નજીકના સ્ટોરેજ સ્થાન વચ્ચે ક્રોસટોકને ટાળે છે.

4. માઇક્રોફેબ્રિકેશન અને 3D પ્રિન્ટિંગ

બે-ફોટન પોલિમરાઇઝેશન જટિલ ત્રણ-પરિમાણીય માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર્સ બનાવવાની મંજૂરી આપે છે જેમાં ડિફ્રેક્શન મર્યાદા નીચેની વિશેષતાઓ હોય છે.

ઉદાહરણ: એક સામગ્રી વૈજ્ઞાનિક 3D માઇક્રોફેબ્રિકેશન માટે નવા ફોટોપોલિમર વિકસિત કરી રહ્યો છે, તે ઇચ્છિત પોલિમરાઇઝેશન કાર્યક્ષમતા અને સ્થાનાંતર રિઝોલ્યુશન પ્રાપ્ત કરવા માટે શ્રેષ્ઠ લેસર પેરામીટર્સ (તરંગદૈર્ઘ્ય, તીવ્રતા, પલ્સ સમયગાળો) નક્કી કરવા માટે અમારા કેલ્ક્યુલેટરનો ઉપયોગ કરે છે.

5. ઑપ્ટિકલ મર્યાદા

ઉચ્ચ બે-ફોટન શોષણ ગુણાંક ધરાવતી સામગ્રીને ઉચ્ચ-તીવ્રતા લેસર પલ્સથી સંવેદનશીલ ઑપ્ટિકલ ઘટકોને સુરક્ષિત કરવા માટે ઑપ્ટિકલ મર્યાદકો તરીકે ઉપયોગ કરી શકાય છે.

ઉદાહરણ: એક ડિફેન્સ કોન્ટ્રાક્ટર પાયલટ્સ માટે સુરક્ષિત ચશ્મા ડિઝાઇન કરી રહ્યો છે, તેને લેસર ધમકીઓ સામે શ્રેષ્ઠ સુરક્ષા પ્રદાન કરતી વિવિધ સામગ્રીના બે-ફોટન શોષણ ગુણાંક ગણવાની જરૂર છે, જ્યારે સામાન્ય પરિસ્થિતિઓમાં સારી દૃષ્ટિ જાળવી રાખે છે.

બે-ફોટન શોષણના વિકલ્પો

જ્યારે બે-ફોટન શોષણ ઘણા એપ્લિકેશન્સ માટે શક્તિશાળી છે, ત્યારે કેટલાક પરિસ્થિતિઓમાં વિકલ્પ નોનલિનિયર ઑપ્ટિકલ પ્રક્રિયાઓ વધુ યોગ્ય હોઈ શકે છે:

1. ત્રણ-ફોટન શોષણ: વધુ તીવ્રતાની જરૂર છે પરંતુ વધુ સ્થાનાંતર સીમિત અને ઊંડા પ્રવેશ પ્રદાન કરે છે.

2. દ્વિતીય હાર્મોનિક જનરેશન (SHG): સમાન ફ્રિક્વન્સીના બે ફોટનોને બે ગણાના ફ્રિક્વન્સીનો એક ફોટનમાં રૂપાંતરિત કરે છે, જે ફ્રિક્વન્સી રૂપાંતરણ અને કોલેજન અને અન્ય નોન-સેન્ટ્રોસિમેટ્રિક માળખાઓની ઇમેજિંગ માટે ઉપયોગી છે.

3. ઉત્તેજિત રામન સ્કેટરિંગ (SRS): રાસાયણિક વિભાજન આધારિત લેબલ-ફ્રી રાસાયણિક વિભાજન પ્રદાન કરે છે, જે લિપિડ અને અન્ય બાયમોલેક્યુલ્સની ઇમેજિંગ માટે ઉપયોગી છે.

4. સિંગલ-ફોટન કોન્ફોકલ માઇક્રોસ્કોપી: બે-ફોટન માઇક્રોસ્કોપી કરતાં સરળ અને ઓછા ખર્ચાળ છે, પરંતુ ઓછા ઊંડા પ્રવેશ અને વધુ ફોટોબ્લીચિંગ સાથે.

5. ઑપ્ટિકલ કોherence ટોમોગ્રાફી (OCT): ઊંચી ઊંડા પ્રવેશ સાથે રચનાત્મક ઇમેજિંગ પ્રદાન કરે છે પરંતુ બે-ફોટન માઇક્રોસ્કોપી કરતાં ઓછા રિઝોલ્યુશન સાથે.

બે-ફોટન શોષણનો ઇતિહાસ

બે-ફોટન શોષણ માટેનો થિયોરેટિકલ આધાર મારિયા ગોપર્ટ-મેયર દ્વારા 1931માં તેના ડોક્ટરલ ડિઝર્ટેશનમાં મૂકવામાં આવ્યો હતો, જ્યાં તેણે ભવિષ્યવાણી કરી હતી કે એક અણુ અથવા સામગ્રી એક જ ક્વાન્ટમ ઇવેન્ટમાં એક સાથે બે ફોટન શોષણ કરી શકે છે. આ ભૂમિકા માટે, તેણે 1963માં ભૌતિકશાસ્ત્રમાં નોબેલ પુરસ્કાર પ્રાપ્ત કર્યો.

પરંતુ બે-ફોટન શોષણની પ્રયોગાત્મક પુષ્ટિ 1960માં લેસરના શોધ સુધી રાહ જોવી પડી, જે આ નોનલિનિયર ઑપ્ટિકલ પરિપ્રેક્ષ્યને જોવા માટે જરૂરી ઉચ્ચ તીવ્રતા પ્રદાન કરે છે. 1961માં, બેલ લેબ્સમાં કાઇસર અને ગેરેટે યુરોપિયમ-ડોપ્ડ ક્રિસ્ટલમાં બે-ફોટન શોષણનું પ્રથમ પ્રયોગાત્મક અવલોકન નોંધ્યું.

1980 અને 1990ના દાયકામાં અલ્ટ્રાશોર્ટ પલ્સ લેસરોની વિકાસ, ખાસ કરીને Ti:Sapphire લેસર, આ ક્ષેત્રમાં ક્રાંતિ લાવી, જે બે-ફોટન ઉત્સાહન માટે આદર્શ ઉચ્ચ પીક તીવ્રતા અને તરંગદૈર્ઘ્યની ટ્યુનેબિલિટી પ્રદાન કરે છે. આથી, 1990માં કોર્નેલ યુનિવર્સિટીમાં વિનફ્રિડ ડેંક, જેઇમ્સ સ્ટ્રિક્લર અને વોટ વેબ દ્વારા બે-ફોટન માઇક્રોસ્કોપીની શોધ થઈ, જે હવે જીવવિજ્ઞાનના ઇમેજિંગમાં એક અનિવાર્ય સાધન બની ગયું છે.

છેલ્લા દાયકાઓમાં, સંશોધન વધુ બે-ફોટન શોષણ ક્રોસ-સેક્શન ધરાવતી સામગ્રી વિકસિત કરવા, TPA ને નિયંત્રિત કરતી રચના-ગુણધર્મ સંબંધોને સમજવા, અને બાયોમેડિસિનથી માહિતી ટેકનોલોજી સુધીના ક્ષેત્ર