Рассчитайте коэффициент двухфотонного поглощения, введя параметры длины волны, интенсивности и длительности импульса. Необходимо для исследований и приложений в области нелинейной оптики.
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.
β = K × (I × τ) / λ²
Где:
Длина волны падающего света (типично 400-1200 нм)
Интенсивность падающего света (типично 10¹⁰ до 10¹⁴ Вт/см²)
Длительность светового импульса (типично 10-1000 фс)
Двухфотонное поглощение (TPA) - это нелинейный оптический процесс, при котором молекулы одновременно поглощают два фотона, чтобы достичь более высоких энергетических состояний. Наш бесплатный Калькулятор двухфотонного поглощения мгновенно вычисляет коэффициент двухфотонного поглощения (β), используя параметры длины волны, интенсивности и длительности импульса, что делает его незаменимым для исследователей в области нелинейной оптики, двухфотонной микроскопии и фотодинамической терапии.
Этот продвинутый калькулятор упрощает сложные вычисления коэффициента TPA, которые критически важны для оптимизации параметров лазера в научных исследованиях и промышленных приложениях. Независимо от того, разрабатываете ли вы оптические системы хранения, разрабатываете новые методы микроскопии или изучаете нелинейные оптические материалы, наш инструмент предоставляет точные результаты за считанные секунды.
Двухфотонное поглощение - это квантовомеханический процесс, при котором материал одновременно поглощает два фотона, чтобы перейти в возбужденное состояние. В отличие от традиционного однофотонного поглощения, TPA демонстрирует квадратичную зависимость от интенсивности, обеспечивая исключительный пространственный контроль для точных приложений.
Коэффициент двухфотонного поглощения (β) количественно оценивает эффективность материала в этом нелинейном процессе. Впервые предсказанный лауреаткой Нобелевской премии Марией Гёпперт-Майер в 1931 году, двухфотонное поглощение оставалось теоретическим до тех пор, пока технологии лазеров не позволили его экспериментальное наблюдение в 1961 году.
Сегодня вычисления TPA являются основополагающими для:
Коэффициент двухфотонного поглощения (β) можно рассчитать с использованием следующей упрощенной формулы TPA:
Где:
Эта формула представляет собой упрощенную модель, которая захватывает основные физические принципы двухфотонного поглощения. На самом деле коэффициент двухфотонного поглощения также зависит от свойств материала и конкретных электронных переходов. Однако это приближение предоставляет хорошую отправную точку для многих практических приложений.
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 высоких интенсивностей, 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.
Наш калькулятор коэффициента TPA упрощает сложные вычисления двухфотонного поглощения через интуитивно понятный интерфейс. Следуйте этим шагам, чтобы рассчитать ваш коэффициент двухфотонного поглощения:
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:
Калькулятор выполняет несколько проверок валидации, чтобы обеспечить точные результаты:
Хотя калькулятор все равно будет вычислять результаты для значений вне этих диапазонов, точность упрощенной модели может быть снижена.
Калькулятор использует формулу, упомянутую выше, для вычисления коэффициента двухфотонного поглощения. Вот пошаговое описание процесса вычисления:
Например, при длине волны = 800 нм, интенсивности = 10¹² Вт/см² и длительности импульса = 100 фс:
Коэффициент двухфотонного поглощения имеет решающее значение для оптимизации производительности в различных приложениях TPA в научных исследованиях и промышленности:
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 внефокальных областях.
Пример: Исследователь, использующий лазер Ti:Сапфир на 800 нм с импульсами 100 фс, должен рассчитать коэффициент двухфотонного поглощения для оптимизации глубины изображения в мозговой ткани. Используя наш калькулятор с интенсивностью = 5×10¹² Вт/см², он может быстро определить β = 1.17 см/ГВт.
Двухфотонное возбуждение позволяет точно активировать фотосенсибилизаторы на больших глубинах тканей, используя ближний инфракрасный свет, 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.
TPA позволяет трехмерное оптическое хранение данных с высокой плотностью и селективностью. Сосредоточив лазерный луч внутри фоточувствительного материала, данные могут быть записаны на конкретных 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.
Двухфотонная полимеризация позволяет создавать сложные трехмерные микроструктуры с размерами признаков ниже предела дифракции.
Пример: Материаловед, разрабатывающий новый фотополимер для 3D микрообработки, использует наш калькулятор, чтобы определить оптимальные параметры лазера (длину волны, интенсивность, длительность импульса) для достижения желаемой эффективности полимеризации и пространственного разрешения.
Материалы с высокими коэффициентами двухфотонного поглощения могут использоваться в качестве оптических ограничителей для защиты чувствительных оптических компонентов от высокоинтенсивных лазерных импульсов.
Пример: Подрядчик оборонной промышленности, 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.
Хотя двухфотонное поглощение превосходит во многих приложениях, другие нелинейные оптические процессы могут быть оптимальными для конкретных сценариев, требующих различных характеристик коэффициента TPA:
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 безметочный 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 структурное изображение с высоким проникновением в глубину, но с более низким разрешением, чем двухфотонная микроскопия.
Теоретическая основа для двухфотонного поглощения была заложена Марией Гёпперт-Майер в ее 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 ждать 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 увеличенными сечениями двухфотонного поглощения, понимании взаимосвязей структуры и свойств, 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.
Реализуйте вычисления коэффициента двухфотонного поглощения на вашем предпочтительном языке программирования, используя эти примеры формулы TPA:
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")
291function 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`);
18public class TwoPhotonAbsorptionCalculator { public
Откройте больше инструментов, которые могут быть полезны для вашего рабочего процесса