حاسبة معامل امتصاص الفوتونين

احسب معامل امتصاص الفوتونين عن طريق إدخال معلمات الطول الموجي، الشدة، ومدة النبضة. ضروري لأبحاث وتطبيقات البصريات غير الخطية.

حاسبة امتصاص الفوتونين

تساعدك هذه الحاسبة على تحديد معامل امتصاص الفوتونين بناءً على الطول الموجي، الشدة، ومدة النبضة للضوء الساقط. أدخل المعلمات المطلوبة أدناه للحصول على النتيجة.

الصيغة المستخدمة

β = K × (I × τ) / λ²

حيث:

β = معامل امتصاص الفوتونين (سم/GW)
K = ثابت (1.5)
I = الشدة (W/سم²)
τ = مدة النبضة (fs)
λ = الطول الموجي (nm)

الطول الموجي

الطول الموجي للضوء الساقط (400-1200 nm هو المعتاد)

الشدة

W/cm²

شدة الضوء الساقط (عادةً 10¹⁰ إلى 10¹⁴ W/سم²)

مدة النبضة

مدة نبضة الضوء (عادةً 10-1000 fs)

النتيجة

أدخل معلمات صحيحة لحساب النتيجة

التصور

📚

التوثيق

حاسبة امتصاص الفوتونين - احسب معامل TPA عبر الإنترنت

امتصاص الفوتونين (TPA) هو عملية بصرية غير خطية حيث تمتص الجزيئات فوتونين في وقت واحد للوصول إلى حالات طاقة أعلى. تقوم حاسبة امتصاص الفوتونين المجانية لدينا بحساب معامل امتصاص الفوتونين (β) على الفور باستخدام معلمات الطول الموجي، والشدة، ومدة النبضة، مما يجعلها ضرورية للباحثين في البصريات غير الخطية، والميكروسكوبية ذات الفوتونين، وعلاج الديناميكا الضوئية.

تعمل هذه الحاسبة المتقدمة على تبسيط حسابات معامل TPA المعقدة التي تعتبر حاسمة لتحسين معلمات الليزر في الأبحاث العلمية والتطبيقات الصناعية. سواء كنت تقوم بتصميم أنظمة تخزين بصرية، أو تطوير تقنيات ميكروسكوبية جديدة، أو دراسة المواد البصرية غير الخطية، فإن أداتنا تقدم نتائج دقيقة في ثوانٍ.

ما هو امتصاص الفوتونين ولماذا يتم حساب المعامل؟

امتصاص الفوتونين هو عملية ميكانيكية كمومية حيث يمتص مادة فوتونين في وقت واحد للانتقال إلى حالة مثارة. على عكس امتصاص الفوتون الواحد التقليدي، يظهر TPA اعتمادًا تربيعيًا على الشدة، مما يوفر تحكمًا مكانيًا استثنائيًا للتطبيقات الدقيقة.

يقيس معامل امتصاص الفوتونين (β) كفاءة مادة في هذه العملية غير الخطية. تم التنبؤ به لأول مرة من قبل الحائزة على جائزة نوبل ماريا غوبيرت-ماير في عام 1931، وظل امتصاص الفوتونين نظريًا حتى مكنت تقنية الليزر من ملاحظته تجريبيًا في عام 1961.

اليوم، تعتبر حسابات TPA أساسية لـ:

تحسين الميكروسكوبية ذات الفوتونين
تخطيط علاج الديناميكا الضوئية
تصميم تخزين البيانات البصرية
عمليات التصنيع الدقيق ثلاثية الأبعاد
تطوير أجهزة الحد البصري

صيغة معامل امتصاص الفوتونين: كيفية حساب TPA

يمكن حساب معامل امتصاص الفوتونين (β) باستخدام صيغة TPA المبسطة التالية:

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

حيث:

$\beta$ = معامل امتصاص الفوتونين (سم/GW)
$K$ = ثابت (1.5 في نموذجنا المبسط)
$I$ = شدة الضوء الساقط (W/سم²)
$\tau$ = مدة النبضة (فيمتوثانية، fs)
$\lambda$ = الطول الموجي للضوء الساقط (نانومتر، nm)

تمثل هذه الصيغة نموذجًا مبسطًا يلتقط الفيزياء الأساسية لامتصاص الفوتونين. في الواقع، يعتمد معامل امتصاص الفوتونين أيضًا على خصائص المادة والانتقالات الإلكترونية المحددة المعنية. ومع ذلك، توفر هذه التقريب نقطة انطلاق جيدة للعديد من التطبيقات العملية.

فهم المتغيرات

الطول الموجي (λ): يقاس بالنانومتر (nm)، وهو الطول الموجي للضوء الساقط. يحدث TPA عادة عند الأطوال الموجية بين 400-1200 نانومتر، مع انخفاض الكفاءة عند الأطوال الموجية الأطول. يعتمد المعامل على الطول الموجي بشكل عكسي مربع.
الشدة (I): تقاس بوحدات W/سم²، وتمثل القدرة لكل وحدة مساحة من الضوء الساقط. يتطلب TPA شدة عالية، عادة في نطاق 10¹⁰ إلى 10¹⁴ W/سم². يتناسب المعامل خطيًا مع الشدة.
مدة النبضة (τ): تقاس بالفيمتوثانية (fs)، وهي مدة نبضة الضوء. تتراوح القيم النموذجية من 10 إلى 1000 fs. يتناسب المعامل خطيًا مع مدة النبضة.
الثابت (K): هذا الثابت عديم الأبعاد (1.5 في نموذجنا) يأخذ في الاعتبار خصائص المواد المختلفة وتحويلات الوحدات. في النماذج الأكثر تفصيلاً، سيتم استبداله بمعلمات محددة للمادة.

كيفية استخدام حاسبة معامل امتصاص الفوتونين: دليل خطوة بخطوة

تقوم حاسبة معامل TPA لدينا بتبسيط حسابات امتصاص الفوتونين المعقدة من خلال واجهة بديهية. اتبع هذه الخطوات لحساب معامل امتصاص الفوتونين الخاص بك:

أدخل الطول الموجي: أدخل الطول الموجي للضوء الساقط لديك بالنانومتر (nm). تتراوح القيم النموذجية من 400 إلى 1200 nm.
أدخل الشدة: أدخل شدة مصدر الضوء لديك بوحدات W/سم². يمكنك استخدام التدوين العلمي (مثل 1e12 لـ 10¹²).
أدخل مدة النبضة: أدخل مدة النبضة بالفيمتوثانية (fs).
عرض النتيجة: ستعرض الحاسبة على الفور معامل امتصاص الفوتونين بوحدات سم/GW.
نسخ النتيجة: استخدم زر "نسخ النتيجة" لنسخ القيمة المحسوبة إلى الحافظة الخاصة بك.

توفر الحاسبة أيضًا:

تغذية راجعة بصرية من خلال تصور ديناميكي
رسائل تحذير للقيم خارج النطاقات النموذجية
تفاصيل الحساب تشرح كيفية اشتقاق النتيجة

التحقق من المدخلات والقيود

تقوم الحاسبة بإجراء عدة فحوصات للتحقق لضمان نتائج دقيقة:

يجب أن تكون جميع المدخلات أرقامًا موجبة
يتم عرض تحذيرات للقيم خارج النطاقات النموذجية:
- الطول الموجي: 400-1200 nm
- الشدة: 10¹⁰ إلى 10¹⁴ W/سم²
- مدة النبضة: 10-1000 fs

بينما ستقوم الحاسبة بحساب النتائج للقيم خارج هذه النطاقات، قد تقل دقة النموذج المبسط.

طريقة الحساب

تستخدم الحاسبة الصيغة المذكورة أعلاه لحساب معامل امتصاص الفوتونين. إليك تحليل خطوة بخطوة لعملية الحساب:

تحقق من جميع معلمات الإدخال للتأكد من أنها أرقام موجبة
تحويل الشدة من W/سم² إلى GW/سم² عن طريق القسمة على 10⁹
تطبيق الصيغة: β = K × (I × τ) / λ²
عرض النتيجة بوحدات سم/GW

على سبيل المثال، مع الطول الموجي = 800 nm، الشدة = 10¹² W/سم²، ومدة النبضة = 100 fs:

تحويل الشدة: 10¹² W/سم² ÷ 10⁹ = 10³ GW/سم²
الحساب: β = 1.5 × (10³ × 100) ÷ (800)² = 1.5 × 10⁵ ÷ 640,000 = 0.234375 سم/GW

تطبيقات امتصاص الفوتونين: الاستخدامات البحثية والصناعية

يعتبر معامل امتصاص الفوتونين أمرًا حيويًا لتحسين الأداء عبر مجموعة متنوعة من تطبيقات TPA في الأبحاث العلمية والصناعة:

1. الميكروسكوبية الفلورية ذات الفوتونين

تستفيد الميكروسكوبية ذات الفوتونين من TPA لتحقيق تصوير ثلاثي الأبعاد عالي الدقة للعينات البيولوجية. يعتمد الاعتماد التربيعي على الشدة بشكل طبيعي على حصر الإثارة في نقطة التركيز، مما يقلل من تبييض الضوء والسمية الضوئية في المناطق خارج التركيز.

مثال: يحتاج باحث يستخدم ليزر Ti:Sapphire عند 800 nm مع نبضات 100 fs إلى حساب معامل امتصاص الفوتونين لتحسين عمق التصوير في أنسجة الدماغ. باستخدام حاسبتنا مع الشدة = 5×10¹² W/سم²، يمكنه بسرعة تحديد β = 1.17 سم/GW.

2. العلاج الديناميكي الضوئي

يسمح الإثارة ذات الفوتونين بتفعيل دقيق للمواد الحساسة للضوء على أعماق أنسجة أكبر باستخدام الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء، الذي يخترق الأنسجة بشكل أكثر فعالية من الضوء المرئي.

مثال: يحتاج باحث طبي يقوم بتطوير مادة حساسة جديدة لعلاج السرطان إلى تحديد خصائص امتصاص الفوتونين الخاصة بها. باستخدام حاسبتنا، يمكنه تحديد الطول الموجي والشدة المثلى لتحقيق أقصى تأثير علاجي مع تقليل الضرر للأنسجة السليمة المحيطة.

3. تخزين البيانات البصرية

يمكن أن يمكّن TPA تخزين البيانات البصرية ثلاثية الأبعاد بكثافة وانتقائية عالية. من خلال تركيز شعاع الليزر داخل مادة حساسة للضوء، يمكن كتابة البيانات عند إحداثيات ثلاثية الأبعاد محددة.

مثال: يحتاج مهندس يقوم بتصميم وسط تخزين بصري جديد إلى حساب معامل امتصاص الفوتونين لتحديد الحد الأدنى من طاقة الليزر المطلوبة لكتابة البيانات بشكل موثوق مع تجنب التداخل بين مواقع التخزين المجاورة.

4. التصنيع الدقيق والطباعة ثلاثية الأبعاد

تسمح البوليمرization ذات الفوتونين بإنشاء هياكل ميكروية ثلاثية الأبعاد معقدة بأحجام ميزات أقل من حد الانكسار.

مثال: يستخدم عالم المواد الذي يقوم بتطوير بوليمر ضوئي جديد للتصنيع الدقيق ثلاثي الأبعاد حاسبتنا لتحديد معلمات الليزر المثلى (الطول الموجي، الشدة، مدة النبضة) لتحقيق كفاءة البوليمرization المطلوبة والدقة المكانية.

5. الحد البصري

يمكن استخدام المواد ذات معاملات امتصاص الفوتونين العالية كحدود بصرية لحماية المكونات البصرية الحساسة من نبضات الليزر عالية الشدة.

مثال: يحتاج مقاول دفاعي يقوم بتصميم نظارات واقية للطيارين إلى حساب معامل امتصاص الفوتونين لمواد مختلفة لتحديد تلك التي توفر حماية مثلى ضد تهديدات الليزر مع الحفاظ على رؤية جيدة في الظروف العادية.

تقنيات بصرية غير خطية بديلة لامتصاص الفوتونين

بينما يتفوق امتصاص الفوتونين في العديد من التطبيقات، قد تكون العمليات البصرية غير الخطية الأخرى مثالية لسيناريوهات محددة تتطلب خصائص مختلفة لمعامل TPA:

امتصاص الفوتون الثلاثي: يوفر حصرًا مكانيًا أكبر واختراقًا أعمق ولكنه يتطلب شدة أعلى.
توليد التوافقيات الثانية (SHG): يحول فوتونين من نفس التردد إلى فوتون واحد بتردد مضاعف، مفيد لتحويل التردد وتصوير الكولاجين وهياكل غير مركزية أخرى.
تشتت رامان المحفز (SRS): يوفر تباينًا كيميائيًا خاليًا من العلامات بناءً على الأوضاع الاهتزازية، مفيد لتصوير الدهون وجزيئات حيوية أخرى.
الميكروسكوبية المكانية ذات الفوتون الواحد: أبسط وأقل تكلفة من الميكروسكوبية ذات الفوتونين، ولكن مع اختراق أقل وتبييض ضوئي أكثر.
التصوير المقطعي بالتداخل البصري (OCT): يوفر تصويرًا هيكليًا مع اختراق عميق ولكن بدقة أقل من الميكروسكوبية ذات الفوتونين.

تاريخ امتصاص الفوتونين

تم وضع الأساس النظري لامتصاص الفوتونين من قبل ماريا غوبيرت-ماير في أطروحتها للدكتوراه عام 1931، حيث توقعت أن ذرة أو جزيء يمكن أن يمتص فوتونين في وقت واحد في حدث كمومي واحد. من أجل هذا العمل الرائد، حصلت لاحقًا على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1963.

ومع ذلك، كان يجب أن تنتظر التحقق التجريبي من امتصاص الفوتونين حتى اختراع الليزر في عام 1960، الذي وفر الشدات العالية اللازمة لملاحظة هذه الظاهرة البصرية غير الخطية. في عام 1961، أبلغ كايسر وغاريت في مختبرات بيل عن أول ملاحظة تجريبية لامتصاص الفوتونين في بلورة مشوبة باليوروبوم.

أدى تطوير ليزرات النبضات الفائقة القصيرة في الثمانينيات والتسعينيات، وخاصة ليزر Ti:Sapphire، إلى ثورة في هذا المجال من خلال توفير الشدات العالية والقدرة على ضبط الطول الموجي المثالية للإثارة ذات الفوتونين. أدى ذلك إلى اختراع الميكروسكوبية ذات الفوتونين من قبل وينفريد دينك، وجيمس ستريكلر، ووات ويب في جامعة كورنيل في عام 1990، والتي أصبحت منذ ذلك الحين أداة لا غنى عنها في التصوير البيولوجي.

في العقود الأخيرة، ركزت الأبحاث على تطوير مواد ذات مقاطع عرضية محسنة لامتصاص الفوتونين، وفهم العلاقات بين الهيكل والخصائص التي تحكم TPA، وتوسيع تطبيقات عمليات الفوتونين في مجالات تتراوح من الطب الحيوي إلى تكنولوجيا المعلومات.

تطورت قياسات وحسابات معاملات امتصاص الفوتونين من إعدادات تجريبية معقدة إلى طرق حسابية أكثر سهولة ونماذج مبسطة مثل تلك المستخدمة في حاسبتنا، مما يجعل هذه المعلمة المهمة أكثر وصولاً للباحثين عبر التخصصات.

أمثلة على كود حساب معامل TPA: لغات برمجة متعددة

قم بتنفيذ حسابات معامل امتصاص الفوتونين في لغة البرمجة المفضلة لديك باستخدام هذه أمثلة صيغة TPA:

1def calculate_tpa_coefficient(wavelength, intensity, pulse_duration, k=1.5):
2    """
3    حساب معامل امتصاص الفوتونين.
4    
5    المعلمات:
6    wavelength (float): الطول الموجي بالنانومتر
7    intensity (float): الشدة بوحدات W/سم²
8    pulse_duration (float): مدة النبضة بالفيمتوثانية
9    k (float): ثابت (افتراضي: 1.5)
10    
11    العائدات:
12    float: معامل امتصاص الفوتونين بوحدات سم/GW
13    """
14    # تحويل الشدة من W/سم² إلى GW/سم²
15    intensity_gw = intensity / 1e9
16    
17    # حساب معامل امتصاص الفوتونين
18    beta = k * (intensity_gw * pulse_duration) / (wavelength ** 2)
19    
20    return beta
21
22# مثال على الاستخدام
23wavelength = 800  # nm
24intensity = 1e12  # W/سم²
25pulse_duration = 100  # fs
26
27beta = calculate_tpa_coefficient(wavelength, intensity, pulse_duration)
28print(f"معامل امتصاص الفوتونين: {beta:.6f} سم/GW")
29

1function calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration, k = 1.5) {
2  // تحويل الشدة من W/سم² إلى GW/سم²
3  const intensityGw = intensity / 1e9;
4  
5  // حساب معامل امتصاص الفوتونين
6  const beta = k * (intensityGw * pulseDuration) / Math.pow(wavelength, 2);
7  
8  return beta;
9}
10
11// مثال على الاستخدام
12const wavelength = 800;  // nm
13const intensity = 1e12;  // W/سم²
14const pulseDuration = 100;  // fs
15
16const beta = calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration);
17console.log(`معامل امتصاص الفوتونين: ${beta.toFixed(6)} سم/GW`);
18

1public class TwoPhotonAbsorptionCalculator {
2    public static double calculateTpaCoefficient(double wavelength, double intensity, 
3                                                double pulseDuration, double k) {
4        // تحويل الشدة من W/سم² إلى GW/سم²
5        double intensityGw = intensity / 1e9;
6        
7        // حساب معامل امتصاص الفوتونين
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;  // nm
15        double intensity = 1e12;  // W/سم²
16        double pulseDuration = 100;  // fs
17        double k = 1.5;  // ثابت
18        
19        double beta = calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration, k);
20        System.out.printf("معامل امتصاص الفوتونين: %.6f سم/GW%n", beta);
21    }
22}
23

function beta = calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration, k)
    % حساب معامل امتصاص الفوتونين
    %
    % المعلمات:
    % wavelength - الطول الموجي بالنانومتر
    % intensity - الشدة بوحدات W/سم²
    % pulseDuration - مدة النبضة بالفيمتوثانية
    % k - ثابت (افتراضي 1.5)
    %
    % العائد

🔗

الأدوات ذات الصلة

اكتشف المزيد من الأدوات التي قد تكون مفيدة لسير عملك