Калькулятор коэффициента двухфотонного поглощения

Рассчитайте коэффициент двухфотонного поглощения, введя параметры длины волны, интенсивности и длительности импульса. Необходимо для исследований и приложений в области нелинейной оптики.

Калькулятор двухфотонного поглощения

Этот калькулятор помогает вам определить коэффициент двухфотонного поглощения на основе длины волны, интенсивности и длительности импульса падающего света. Введите необходимые параметры ниже, чтобы получить результат.

Используемая формула

β = K × (I × τ) / λ²

Где:

β = Коэффициент двухфотонного поглощения (см/ГВт)
K = Константа (1.5)
I = Интенсивность (Вт/см²)
τ = Длительность импульса (фс)
λ = Длина волны (нм)

Длина волны

Длина волны падающего света (400-1200 нм - это типично)

Интенсивность

W/cm²

Интенсивность падающего света (обычно 10¹⁰ до 10¹⁴ Вт/см²)

Длительность импульса

Длительность светового импульса (обычно 10-1000 фс)

Результат

Введите корректные параметры для расчета результата

Визуализация

📚

Документация

Калькулятор двухфотонного поглощения - Бесплатный онлайн инструмент для нелинейной оптики

Что такое двухфотонное поглощение и как его рассчитать?

Двухфотонное поглощение (TPA) — это нелинейный оптический процесс, при котором молекула одновременно поглощает два фотона, чтобы достичь более высокого энергетического состояния. В отличие от однофотонного поглощения, двухфотонное поглощение зависит квадратично от интенсивности света, что позволяет точно контролировать пространственное распределение в таких передовых приложениях, как микроскопия и фотодинамическая терапия.

Наш Калькулятор двухфотонного поглощения мгновенно вычисляет коэффициент двухфотонного поглощения (β), используя три ключевых параметра: длину волны, интенсивность и длительность импульса. Этот бесплатный онлайн инструмент помогает исследователям, студентам и профессионалам быстро определять критически важные значения для их исследований и приложений в области нелинейной оптики.

Это нелинейное оптическое явление было впервые предсказано Марией Гёпперт-Майер в 1931 году, но экспериментально наблюдалось только после изобретения лазеров в 1960-х годах. Сегодня двухфотонное поглощение является основополагающим для множества передовых приложений, включая микроскопию, фотодинамическую терапию, оптическое хранение данных и микрообработку.

Коэффициент двухфотонного поглощения (β) количественно характеризует склонность материала поглощать два фотона одновременно. Этот калькулятор использует упрощенную модель для оценки β на основе длины волны падающего света, интенсивности света и длительности импульса, предоставляя исследователям, студентам и профессионалам быстрый способ расчета этого важного параметра.

Формула и расчет коэффициента двухфотонного поглощения

Коэффициент двухфотонного поглощения (β) можно рассчитать с использованием следующей упрощенной формулы:

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

Где:

$\beta$ = Коэффициент двухфотонного поглощения (см/ГВт)
$K$ = Константа (1.5 в нашей упрощенной модели)
$I$ = Интенсивность падающего света (Вт/см²)
$\tau$ = Длительность импульса (фемтосекунды, фс)
$\lambda$ = Длина волны падающего света (нанометры, нм)

Эта формула представляет собой упрощенную модель, которая охватывает основные физические аспекты двухфотонного поглощения. На самом деле коэффициент двухфотонного поглощения также зависит от свойств материала и конкретных электронных переходов, вовлеченных в процесс. Тем не менее, это приближение предоставляет хорошую отправную точку для многих практических приложений.

Понимание переменных

Длина волны (λ): Измеряется в нанометрах (нм), это длина волны падающего света. TPA обычно происходит на длинах волн от 400 до 1200 нм, при этом эффективность уменьшается на более длинных длинах волн. Коэффициент имеет обратную квадратную зависимость от длины волны.
Интенсивность (I): Измеряется в Вт/см², это мощность на единицу площади падающего света. TPA требует высокой интенсивности, обычно в диапазоне от 10¹⁰ до 10¹⁴ Вт/см². Коэффициент линейно масштабируется с интенсивностью.
Длительность импульса (τ): Измеряется в фемтосекундах (фс), это длительность светового импульса. Типичные значения варьируются от 10 до 1000 фс. Коэффициент линейно масштабируется с длительностью импульса.
Константа (K): Эта безразмерная константа (1.5 в нашей модели) учитывает различные свойства материала и преобразования единиц. В более детализированных моделях она будет заменена на параметры, специфичные для материала.

Как использовать калькулятор двухфотонного поглощения

Наш Калькулятор двухфотонного поглощения упрощает определение коэффициента двухфотонного поглощения, следуя этим шагам:

Введите длину волны: Введите длину волны вашего падающего света в нанометрах (нм). Типичные значения варьируются от 400 до 1200 нм.
Введите интенсивность: Введите интенсивность вашего источника света в Вт/см². Вы можете использовать научную нотацию (например, 1e12 для 10¹²).
Введите длительность импульса: Введите длительность импульса в фемтосекундах (фс).
Просмотрите результат: Калькулятор мгновенно отобразит коэффициент двухфотонного поглощения в см/ГВт.
Скопируйте результат: Используйте кнопку "Скопировать результат", чтобы скопировать рассчитанное значение в буфер обмена.

Калькулятор также предоставляет:

Визуальную обратную связь через динамическую визуализацию
Предупреждающие сообщения для значений вне типичных диапазонов
Подробности расчета, объясняющие, как был получен результат

Проверка ввода и ограничения

Калькулятор выполняет несколько проверок валидации, чтобы обеспечить точность результатов:

Все входные данные должны быть положительными числами
Предупреждения отображаются для значений вне типичных диапазонов:
- Длина волны: 400-1200 нм
- Интенсивность: 10¹⁰ до 10¹⁴ Вт/см²
- Длительность импульса: 10-1000 фс

Хотя калькулятор все равно будет вычислять результаты для значений вне этих диапазонов, точность упрощенной модели может быть снижена.

Метод расчета

Калькулятор использует вышеупомянутую формулу для вычисления коэффициента двухфотонного поглощения. Вот пошаговое описание процесса расчета:

Проверьте все входные параметры, чтобы убедиться, что они положительные числа
Преобразуйте интенсивность из Вт/см² в ГВт/см², разделив на 10⁹
Примените формулу: β = K × (I × τ) / λ²
Отобразите результат в см/ГВт

Например, при длине волны = 800 нм, интенсивности = 10¹² Вт/см² и длительности импульса = 100 фс:

Преобразуйте интенсивность: 10¹² Вт/см² ÷ 10⁹ = 10³ ГВт/см²
Рассчитайте: β = 1.5 × (10³ × 100) ÷ (800)² = 1.5 × 10⁵ ÷ 640000 = 0.234375 см/ГВт

Применения двухфотонного поглощения в исследованиях и промышленности

Двухфотонное поглощение имеет множество применений в различных научных и технологических областях:

1. Двухфотонная микроскопия

Двухфотонная микроскопия использует TPA для достижения высокоразрешающего трехмерного изображения биологических образцов. Квадратичная зависимость от интенсивности естественным образом ограничивает возбуждение до фокальной точки, уменьшая фотобеление и фототоксичность в внефокусных областях.

Пример: Исследователь, использующий лазер Ti:Сапфир на 800 нм с импульсами 100 фс, должен рассчитать коэффициент двухфотонного поглощения, чтобы оптимизировать глубину изображения в мозговой ткани. Используя наш калькулятор с интенсивностью = 5×10¹² Вт/см², он может быстро определить β = 1.17 см/ГВт.

2. Фотодинамическая терапия

Двухфотонное возбуждение позволяет точно активировать фотосенсибилизаторы на больших глубинах тканей с использованием ближнего инфракрасного света, который проникает в ткани более эффективно, чем видимый свет.

Пример: Медицинский исследователь, разрабатывающий новый фотосенсибилизатор для лечения рака, должен охарактеризовать его свойства двухфотонного поглощения. Используя наш калькулятор, он может определить оптимальную длину волны и интенсивность для максимального терапевтического эффекта при минимизации повреждений окружающих здоровых тканей.

3. Оптическое хранение данных

TPA позволяет осуществлять трехмерное оптическое хранение данных с высокой плотностью и селективностью. Сосредоточив лазерный луч внутри фоточувствительного материала, данные могут быть записаны на определенных трехмерных координатах.

Пример: Инженер, разрабатывающий новый оптический носитель, должен рассчитать коэффициент двухфотонного поглощения, чтобы определить минимальную мощность лазера, необходимую для надежной записи данных, избегая перекрестных помех между соседними местами хранения.

4. Микрообработка и 3D-печать

Двухфотонная полимеризация позволяет создавать сложные трехмерные микроструктуры с размерами элементов ниже предела дифракции.

Пример: Материаловед, разрабатывающий новый фотополимер для 3D-микрообработки, использует наш калькулятор, чтобы определить оптимальные параметры лазера (длина волны, интенсивность, длительность импульса) для достижения желаемой эффективности полимеризации и пространственного разрешения.

5. Оптическое ограничение

Материалы с высокими коэффициентами двухфотонного поглощения могут использоваться в качестве оптических ограничителей для защиты чувствительных оптических компонентов от высокоинтенсивных лазерных импульсов.

Пример: Подрядчик по обороне, разрабатывающий защитные очки для пилотов, должен рассчитать коэффициент двухфотонного поглощения различных материалов, чтобы определить те, которые обеспечивают оптимальную защиту от лазерных угроз, сохраняя хорошую видимость в нормальных условиях.

Альтернативы двухфотонному поглощению

Хотя двухфотонное поглощение мощно для многих приложений, альтернативные нелинейные оптические процессы могут быть более подходящими в определенных сценариях:

Трехфотонное поглощение: Обеспечивает еще большую пространственную конфинементность и более глубокое проникновение, но требует более высоких интенсивностей.
Генерация второй гармоники (SHG): Преобразует два фотона одной частоты в один фотон вдвое большей частоты, полезно для частотного преобразования и визуализации коллагена и других нецентросимметричных структур.
Стимулированное рамановское рассеяние (SRS): Обеспечивает бесцветный химический контраст на основе вибрационных мод, полезно для визуализации липидов и других биомолекул.
Однофотонная конфокальная микроскопия: Проще и дешевле, чем двухфотонная микроскопия, но с меньшим проникновением в глубину и большим фотобелением.
Оптическая когерентная томография (OCT): Обеспечивает структурную визуализацию с высоким проникновением в глубину, но с более низким разрешением, чем двухфотонная микроскопия.

История двухфотонного поглощения

Теоретическая основа для двухфотонного поглощения была заложена Марией Гёпперт-Майер в ее докторской диссертации 1931 года, где она предсказала, что атом или молекула могут одновременно поглощать два фотона в одном квантовом событии. За эту новаторскую работу она позже получила Нобелевскую премию по физике в 1963 году.

Однако экспериментальная проверка двухфотонного поглощения должна была подождать до изобретения лазера в 1960 году, который обеспечил высокие интенсивности, необходимые для наблюдения этого нелинейного оптического явления. В 1961 году Кайзер и Гаррет в Bell Labs сообщили о первом экспериментальном наблюдении двухфотонного поглощения в кристалле, легированном европием.

Разработка ультракоротких импульсных лазеров в 1980-х и 1990-х годах, особенно лазера Ti:Сапфир, произвела революцию в этой области, обеспечив высокие пиковые интенсивности и настройку длины волны, идеальные для двухфотонного возбуждения. Это привело к изобретению двухфотонной микроскопии Винфрида Денка, Джеймса Стриклера и Уатта Уэбба в Корнеллском университете в 1990 году, которая с тех пор стала незаменимым инструментом в биологической визуализации.

В последние десятилетия исследования сосредоточились на разработке материалов с улучшенными сечениями двухфотонного поглощения, понимании взаимосвязей структура-свойство, управляющих TPA, и расширении применения двухфотонных процессов в таких областях, как биомедицина и информационные технологии.

Измерение и расчет коэффициентов двухфотонного поглощения эволюционировали от сложных экспериментальных установок к более доступным вычислительным методам и упрощенным моделям, таким как та, что используется в нашем калькуляторе, что делает этот важный параметр более доступным для исследователей в различных дисциплинах.

Примеры кода для расчета двухфотонного поглощения

Вот примеры на различных языках программирования для расчета коэффициента двухфотонного поглощения с использованием нашей формулы:

1def calculate_tpa_coefficient(wavelength, intensity, pulse_duration, k=1.5):
2    """
3    Рассчитать коэффициент двухфотонного поглощения.
4    
5    Параметры:
6    wavelength (float): Длина волны в нанометрах
7    intensity (float): Интенсивность в Вт/см²
8    pulse_duration (float): Длительность импульса в фемтосекундах
9    k (float): Константа (по умолчанию: 1.5)
10    
11    Возвращает:
12    float: Коэффициент двухфотонного поглощения в см/ГВт
13    """
14    # Преобразовать интенсивность из Вт/см² в ГВт/см²
15    intensity_gw = intensity / 1e9
16    
17    # Рассчитать коэффициент двухфотонного поглощения
18    beta = k * (intensity_gw * pulse_duration) / (wavelength ** 2)
19    
20    return beta
21
22# Пример использования
23wavelength = 800  # нм
24intensity = 1e12  # Вт/см²
25pulse_duration = 100  # фс
26
27beta = calculate_tpa_coefficient(wavelength, intensity, pulse_duration)
28print(f"Коэффициент двухфотонного поглощения: {beta:.6f} см/ГВт")
29

1function calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration, k = 1.5) {
2  // Преобразовать интенсивность из Вт/см² в ГВт/см²
3  const intensityGw = intensity / 1e9;
4  
5  // Рассчитать коэффициент двухфотонного поглощения
6  const beta = k * (intensityGw * pulseDuration) / Math.pow(wavelength, 2);
7  
8  return beta;
9}
10
11// Пример использования
12const wavelength = 800;  // нм
13const intensity = 1e12;  // Вт/см²
14const pulseDuration = 100;  // фс
15
16const beta = calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration);
17console.log(`Коэффициент двухфотонного поглощения: ${beta.toFixed(6)} см/ГВт`);
18

1public class TwoPhotonAbsorptionCalculator {
2    public static double calculateTpaCoefficient(double wavelength, double intensity, 
3                                                double pulseDuration, double k) {
4        // Преобразовать интенсивность из Вт/см² в ГВт/см²
5        double intensityGw = intensity / 1e9;
6        
7        // Рассчитать коэффициент двухфотонного поглощения
8        double beta = k * (intensityGw * pulseDuration) / Math.pow(wavelength, 2);
9        
10        return beta;
11    }
12    
13    public static void main(String[] args) {
14        double wavelength = 800;  // нм
15        double intensity = 1e12;  // Вт/см²
16        double pulseDuration = 100;  // фс
17        double k = 1.5;  // Константа
18        
19        double beta = calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration, k);
20        System.out.printf("Коэффициент двухфотонного поглощения: %.6f см/ГВт%n", beta);
21    }
22}
23

function beta =

💬

Обратная связь

💬

Нажмите на всплывающее окно обратной связи, чтобы начать давать обратную связь об этом инструменте

🔗

Связанные инструменты

Откройте больше инструментов, которые могут быть полезны для вашего рабочего процесса