دو-فوٹون جذب کیلکولیٹر - غیر خطی آپٹکس کے لیے مفت آن لائن ٹول

دو-فوٹون جذب کیا ہے اور اسے کیسے حساب کریں؟

دو-فوٹون جذب (TPA) ایک غیر خطی آپٹیکل عمل ہے جہاں ایک مالیکیول ایک ہی وقت میں دو فوٹون جذب کرتا ہے تاکہ ایک اعلی توانائی کی حالت تک پہنچ سکے۔ ایک-فوٹون جذب کے برعکس، دو-فوٹون جذب روشنی کی شدت پر مربع کی بنیاد پر منحصر ہے، جو جدید ایپلی کیشنز جیسے مائکروسکوپی اور فوٹوڈائنامک تھراپی میں درست مکانی کنٹرول کی اجازت دیتا ہے۔

ہمارا دو-فوٹون جذب کیلکولیٹر تین اہم پیرامیٹرز: طول موج، شدت، اور پلس دورانیے کا استعمال کرتے ہوئے دو-فوٹون جذب کوفی شینٹ (β) کو فوری طور پر حساب کرتا ہے۔ یہ مفت آن لائن ٹول محققین، طلباء، اور پیشہ ور افراد کو ان کی غیر خطی آپٹکس کی تحقیق اور ایپلی کیشنز کے لیے اہم اقدار جلدی سے طے کرنے میں مدد کرتا ہے۔

یہ غیر خطی آپٹیکل مظہر پہلی بار 1931 میں ماریا گوپرت-مائر نے پیش کیا تھا، لیکن اس کا تجرباتی مشاہدہ 1960 کی دہائی میں لیزر کی ایجاد تک نہیں ہوا۔ آج، دو-فوٹون جذب متعدد جدید ایپلی کیشنز کے لیے بنیادی حیثیت رکھتا ہے جن میں مائکروسکوپی، فوٹوڈائنامک تھراپی، آپٹیکل ڈیٹا اسٹوریج، اور مائیکروفابریکیشن شامل ہیں۔

دو-فوٹون جذب کوفی شینٹ (β) کسی مادے کی دو فوٹون کو ایک ہی وقت میں جذب کرنے کی صلاحیت کو مقدار میں بیان کرتا ہے۔ یہ کیلکولیٹر ایک سادہ ماڈل کا استعمال کرتا ہے تاکہ β کا تخمینہ لگایا جا سکے جو واقعہ روشنی کی طول موج، روشنی کی شدت، اور پلس دورانیے کی بنیاد پر ہے—یہ محققین، طلباء، اور پیشہ ور افراد کو اس اہم پیرامیٹر کو حساب کرنے کا ایک تیز طریقہ فراہم کرتا ہے۔

دو-فوٹون جذب کوفی شینٹ کا فارمولا اور حساب

دو-فوٹون جذب کوفی شینٹ (β) کو درج ذیل سادہ فارمولا کا استعمال کرتے ہوئے حساب کیا جا سکتا ہے:

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

جہاں:

• $\beta$ = دو-فوٹون جذب کوفی شینٹ (cm/GW)
• $K$ = مستقل (ہمارے سادہ ماڈل میں 1.5)
• $I$ = واقعہ روشنی کی شدت (W/cm²)
• $\tau$ = پلس دورانیہ (فیمنٹو سیکنڈ، fs)
• $\lambda$ = واقعہ روشنی کی طول موج (نینومیٹر، nm)

یہ فارمولا ایک سادہ ماڈل کی نمائندگی کرتا ہے جو دو-فوٹون جذب کی بنیادی طبیعیات کو پکڑتا ہے۔ حقیقت میں، دو-فوٹون جذب کوفی شینٹ مادے کی خصوصیات اور شامل مخصوص الیکٹرانک منتقلیوں پر بھی منحصر ہے۔ تاہم، یہ تخمینہ بہت سی عملی ایپلی کیشنز کے لیے ایک اچھا نقطہ آغاز فراہم کرتا ہے۔

متغیرات کو سمجھنا

1. طول موج (λ): نینومیٹر (nm) میں ماپی جاتی ہے، یہ واقعہ روشنی کی طول موج ہے۔ TPA عام طور پر 400-1200 nm کی طول موج پر ہوتی ہے، جس میں طویل طول موج پر کارکردگی کم ہوتی ہے۔ کوفی شینٹ کی طول موج پر معکوس مربع انحصار ہوتا ہے۔

2. شدت (I): W/cm² میں ماپی جاتی ہے، یہ واقعہ روشنی کے یونٹ کے رقبے پر طاقت کی نمائندگی کرتی ہے۔ TPA کے لیے زیادہ شدت کی ضرورت ہوتی ہے، جو عام طور پر 10¹⁰ سے 10¹⁴ W/cm² کی حد میں ہوتی ہے۔ کوفی شینٹ شدت کے ساتھ خطی طور پر بڑھتا ہے۔

3. پلس دورانیہ (τ): فیمنٹو سیکنڈ (fs) میں ماپی جاتی ہے، یہ روشنی کے پلس کا دورانیہ ہے۔ عام قیمتیں 10 سے 1000 fs کی حد میں ہوتی ہیں۔ کوفی شینٹ پلس دورانیے کے ساتھ خطی طور پر بڑھتا ہے۔

4. مستقل (K): یہ بے بعد مستقل (ہمارے ماڈل میں 1.5) مختلف مادے کی خصوصیات اور یونٹ کی تبدیلیوں کا حساب رکھتا ہے۔ زیادہ تفصیلی ماڈلز میں، اسے مادے کے مخصوص پیرامیٹرز سے تبدیل کیا جائے گا۔

دو-فوٹون جذب کیلکولیٹر کا استعمال کیسے کریں

ہمارا دو-فوٹون جذب کیلکولیٹر دو-فوٹون جذب کوفی شینٹ کا تعین کرنے کے لیے ان مراحل کی پیروی کرتے ہوئے آسان بناتا ہے:

1. طول موج درج کریں: اپنی واقعہ روشنی کی طول موج نینومیٹر (nm) میں درج کریں۔ عام قیمتیں 400 سے 1200 nm کی حد میں ہوتی ہیں۔

2. شدت درج کریں: اپنی روشنی کے منبع کی شدت W/cm² میں درج کریں۔ آپ سائنسی نوٹیشن استعمال کر سکتے ہیں (جیسے، 1e12 کے لیے 10¹²)۔

3. پلس دورانیہ درج کریں: پلس دورانیہ فیمنٹو سیکنڈ (fs) میں درج کریں۔

4. نتیجہ دیکھیں: کیلکولیٹر فوری طور پر دو-فوٹون جذب کوفی شینٹ کو cm/GW میں دکھائے گا۔

5. نتیجہ کاپی کریں: حساب شدہ قیمت کو اپنے کلپ بورڈ پر کاپی کرنے کے لیے "کاپی نتیجہ" بٹن کا استعمال کریں۔

کیلکولیٹر یہ بھی فراہم کرتا ہے:

• متحرک بصریات کے ذریعے بصری فیڈبیک
• عام حدود سے باہر کی قیمتوں کے لیے انتباہی پیغامات
• حساب کی تفصیلات جو بتاتی ہیں کہ نتیجہ کیسے حاصل کیا گیا

ان پٹ کی توثیق اور حدود

کیلکولیٹر درست نتائج کو یقینی بنانے کے لیے کئی توثیق چیک کرتا ہے:

• تمام ان پٹ مثبت اعداد ہونے چاہئیں
• عام حدود سے باہر کی قیمتوں کے لیے انتباہات دکھائے جاتے ہیں:
  • طول موج: 400-1200 nm
  • شدت: 10¹⁰ سے 10¹⁴ W/cm²
  • پلس دورانیہ: 10-1000 fs

اگرچہ کیلکولیٹر ان حدود سے باہر کی قیمتوں کے لیے نتائج کا حساب لگائے گا، لیکن سادہ ماڈل کی درستگی کم ہو سکتی ہے۔

حساب کا طریقہ

کیلکولیٹر دو-فوٹون جذب کوفی شینٹ کا حساب لگانے کے لیے اوپر بیان کردہ فارمولا کا استعمال کرتا ہے۔ حساب کے عمل کی مرحلہ وار وضاحت یہ ہے:

1. تمام ان پٹ پیرامیٹرز کی توثیق کریں تاکہ یہ یقینی بنایا جا سکے کہ وہ مثبت اعداد ہیں
2. شدت کو W/cm² سے GW/cm² میں تبدیل کریں 10⁹ سے تقسیم کرکے
3. فارمولا لگائیں: β = K × (I × τ) / λ²
4. نتیجہ cm/GW میں دکھائیں

مثال کے طور پر، اگر طول موج = 800 nm، شدت = 10¹² W/cm²، اور پلس دورانیہ = 100 fs:

• شدت کو تبدیل کریں: 10¹² W/cm² ÷ 10⁹ = 10³ GW/cm²
• حساب کریں: β = 1.5 × (10³ × 100) ÷ (800)² = 1.5 × 10⁵ ÷ 640,000 = 0.234375 cm/GW

تحقیق اور صنعت میں دو-فوٹون جذب کی ایپلی کیشنز

دو-فوٹون جذب کے مختلف سائنسی اور تکنیکی شعبوں میں متعدد ایپلی کیشنز ہیں:

1. دو-فوٹون مائکروسکوپی

دو-فوٹون مائکروسکوپی TPA کا فائدہ اٹھاتی ہے تاکہ حیاتیاتی نمونوں کی اعلیٰ قرارداد، تین جہتی امیجنگ حاصل کی جا سکے۔ شدت پر مربع انحصار قدرتی طور پر حوصلہ افزائی کو فوکل پوائنٹ تک محدود کرتا ہے، فوکل پوائنٹ سے باہر کے علاقوں میں فوٹو بلیچنگ اور فوٹو ٹوکسیٹی کو کم کرتا ہے۔

مثال: ایک محقق جو 800 nm پر 100 fs پلس کے ساتھ Ti:Sapphire لیزر استعمال کر رہا ہے، دماغ کے بافتوں میں امیجنگ کی گہرائی کو بہتر بنانے کے لیے دو-فوٹون جذب کوفی شینٹ کا حساب لگانے کی ضرورت ہے۔ ہماری کیلکولیٹر کا استعمال کرتے ہوئے شدت = 5×10¹² W/cm²، وہ جلدی سے β = 1.17 cm/GW طے کر سکتے ہیں۔

2. فوٹوڈائنامک تھراپی

دو-فوٹون حوصلہ افزائی زیادہ بافتوں کی گہرائیوں پر فوٹوسینسائٹائزرز کی درست فعال کرنے کی اجازت دیتی ہے، جو قریب کے انفرا ریڈ روشنی کا استعمال کرتی ہے، جو نظر آنے والی روشنی کے مقابلے میں بافتوں میں زیادہ مؤثر طریقے سے داخل ہوتی ہے۔

مثال: ایک طبی محقق جو کینسر کے علاج کے لیے ایک نئے فوٹوسینسائٹائزر کی ترقی کر رہا ہے، اس کی دو-فوٹون جذب کی خصوصیات کی وضاحت کرنے کی ضرورت ہے۔ ہماری کیلکولیٹر کا استعمال کرتے ہوئے، وہ زیادہ سے زیادہ علاج کے اثر کے لیے بہترین طول موج اور شدت کا تعین کر سکتے ہیں جبکہ ارد گرد کے صحت مند بافتوں کو نقصان سے کم کرتے ہیں۔

3. آپٹیکل ڈیٹا اسٹوریج

TPA تین جہتی آپٹیکل ڈیٹا اسٹوریج کو اعلی کثافت اور انتخابیت کے ساتھ ممکن بناتا ہے۔ ایک فوٹوسینسٹیو مادے کے اندر لیزر کی کرن کو مرکوز کرکے، مخصوص تین جہتی کوآرڈینیٹس پر ڈیٹا لکھا جا سکتا ہے۔

مثال: ایک انجینئر جو ایک نئے آپٹیکل اسٹوریج کے ذریعے کی ڈیزائن کر رہا ہے، دو-فوٹون جذب کوفی شینٹ کا حساب لگانے کی ضرورت ہے تاکہ قابل اعتماد ڈیٹا لکھنے کے لیے درکار کم از کم لیزر پاور کا تعین کیا جا سکے جبکہ متصل اسٹوریج مقامات کے درمیان کراس ٹاک سے بچا جا سکے۔

4. مائیکروفابریکیشن اور 3D پرنٹنگ

دو-فوٹون پولیمرائزیشن پیچیدہ تین جہتی مائیکرو اسٹرکچرز کی تخلیق کی اجازت دیتی ہے جن کی خصوصیات کی سائز diffraction کی حد سے کم ہیں۔

مثال: ایک مواد کا سائنسدان جو 3D مائیکروفابریکیشن کے لیے ایک نئے فوٹپالیمر کی ترقی کر رہا ہے، ہماری کیلکولیٹر کا استعمال کرتے ہوئے مطلوبہ پولیمرائزیشن کی کارکردگی اور مکانی قرارداد کے حصول کے لیے بہترین لیزر پیرامیٹرز (طول موج، شدت، پلس دورانیہ) کا تعین کرتا ہے۔

5. آپٹیکل لمیٹنگ

اعلی دو-فوٹون جذب کوفی شینٹ والے مواد کو حساس آپٹیکل اجزاء کو اعلی شدت کے لیزر پلس سے بچانے کے لیے آپٹیکل لمیٹر کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔

مثال: ایک دفاعی ٹھیکیدار جو پائلٹس کے لیے حفاظتی چشمے ڈیزائن کر رہا ہے، مختلف مواد کے دو-فوٹون جذب کوفی شینٹ کا حساب لگانے کی ضرورت ہے تاکہ ان کی شناخت کی جا سکے جو لیزر کے خطرات کے خلاف بہترین تحفظ فراہم کرتے ہیں جبکہ عام حالات میں اچھی بصریات کو برقرار رکھتے ہیں۔

دو-فوٹون جذب کے متبادل

اگرچہ دو-فوٹون جذب بہت سی ایپلی کیشنز کے لیے طاقتور ہے، لیکن کچھ منظرناموں میں متبادل غیر خطی آپٹیکل عمل زیادہ موزوں ہو سکتے ہیں:

1. تین-فوٹون جذب: مزید مکانی قید اور گہرائی میں داخل ہونے کی پیشکش کرتا ہے لیکن اس کے لیے زیادہ شدت کی ضرورت ہوتی ہے۔

2. دوسری ہارمونک پیداوار (SHG): ایک ہی فریکوئنسی کے دو فوٹون کو دوگنا فریکوئنسی کے ایک فوٹون میں تبدیل کرتا ہے، جو فریکوئنسی کی تبدیلی اور کولیجن اور دیگر غیر مرکزیت والی ساختوں کی امیجنگ کے لیے مفید ہے۔

3. تحریک شدہ رمان پھیلاؤ (SRS): ارتعاشی طریقوں کی بنیاد پر لیبل فری کیمیائی تضاد فراہم کرتا ہے، جو لپڈز اور دیگر بایومولیکیولز کی امیجنگ کے لیے مفید ہے۔

4. سنگل-فوٹون کنفوکال مائکروسکوپی: دو-فوٹون مائکروسکوپی کے مقابلے میں سادہ اور کم مہنگی ہے، لیکن اس میں کم گہرائی کی دخول اور زیادہ فوٹو بلیچنگ ہوتی ہے۔

5. آپٹیکل کوہرنس ٹوموگرافی (OCT): اعلی گہرائی کی دخول کے ساتھ ساختی امیجنگ فراہم کرتا ہے لیکن دو-فوٹون مائکروسکوپی کے مقابلے میں کم قرارداد ہوتی ہے۔

دو-فوٹون جذب کی تاریخ

دو-فوٹون جذب کی نظریاتی بنیاد ماریا گوپرت-مائر نے اپنی 1931 کی ڈاکٹریٹ کی ڈسٹریٹیشن میں رکھی، جہاں انہوں نے پیش گوئی کی کہ ایک ایٹم یا مالیکیول ایک ہی کوانٹم واقعے میں دو فوٹون کو ایک ساتھ جذب کر سکتا ہے۔ اس تاریخی کام کے لیے، انہیں بعد میں 1963 میں طبیعیات میں نوبل انعام ملا۔

تاہم، دو-فوٹون جذب کی تجرباتی تصدیق کو 1960 میں لیزر کی ایجاد کا انتظار کرنا پڑا، جس نے اس غیر خطی آپٹیکل مظہر کا مشاہدہ کرنے کے لیے ضروری اعلی شدت فراہم کی۔ 1961 میں، کیسر اور گیرٹ نے بیل لیبز میں یورپیم-ڈوپڈ کرسٹل میں دو-فوٹون جذب کا پہلا تجرباتی مشاہدہ رپورٹ کیا۔

1980 اور 1990 کی دہائی میں الٹرا شارٹ پلس لیزرز کی ترقی، خاص طور پر Ti:Sapphire لیزر، نے اس میدان میں انقلاب برپا کیا، جس نے دو-فوٹون حوصلہ افزائی کے لیے مثالی اعلی چوٹی کی شدت اور طول موج کی ٹنبلٹی فراہم کی۔ اس کے نتیجے میں 1990 میں کارنیل یونیورسٹی میں ونفریڈ ڈینک، جیمز اسٹرکلر، اور واٹ ویب کے ذریعہ دو-فوٹون مائکروسکوپی کی ایجاد ہوئی، جو اب حیاتیاتی امیجنگ میں ایک لازمی ٹول بن چکی ہے۔

حالیہ دہائیوں میں، تحقیق نے دو-فوٹون جذب کی کراس سیکشنز کو بڑھانے والے مواد کی ترقی، TPA کے کنٹرول کرنے والے ساخت-پراپرٹی تعلقات کو سمجھنے، اور دو-فوٹون عمل کی ایپلی کیشنز کو بایومیڈیسن سے لے کر معلوماتی ٹیکنالوجی تک کے شعبوں میں بڑھانے پر توجہ مرکوز کی ہے۔

دو-فوٹون جذب کوفی شینٹس کی پیمائش اور حساب لگانے کے طریقے پیچیدہ تجرباتی سیٹ اپ سے زیادہ قابل رسائی کمپیوٹیشنل طریقوں اور سادہ ماڈلز جیسے کہ ہمارے کیلکولیٹر میں استعمال ہونے والے ماڈل تک ترقی کر چکے ہیں، جس سے یہ اہم پیرامیٹر مختلف شعبوں کے محققین کے لیے زیادہ قابل رسائی ہو گیا ہے۔

دو-فوٹون جذب کا حساب لگانے کے لیے کوڈ کی مثالیں

یہاں مختلف پروگرامنگ زبانوں میں دو-فوٹون جذب کوفی شینٹ کا حساب لگانے کے لیے مثالیں ہیں:

function calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration,