Twee-Foton Absorptiecoëfficiënt Calculator

Bereken de twee-foton absorptiecoëfficiënt door golflengte, intensiteit en pulsduurparameters in te voeren. Essentieel voor onderzoek en toepassingen in de niet-lineaire optica.

Twee-Foton Absorptie Calculator

Deze calculator helpt je de twee-foton absorptiecoëfficiënt te bepalen op basis van de golflengte, intensiteit en pulsduur van het invallende licht. Voer de vereiste parameters hieronder in om het resultaat te krijgen.

Gebruikte Formule

β = K × (I × τ) / λ²

Waar:

β = Twee-foton absorptiecoëfficiënt (cm/GW)
K = Constante (1.5)
I = Intensiteit (W/cm²)
τ = Pulsduur (fs)
λ = Golflengte (nm)

Golflengte

De golflengte van het invallende licht (400-1200 nm is typisch)

Intensiteit

W/cm²

De intensiteit van het invallende licht (typisch 10¹⁰ tot 10¹⁴ W/cm²)

Pulsduur

De duur van de lichtpuls (typisch 10-1000 fs)

Resultaat

Voer geldige parameters in om het resultaat te berekenen

Visualisatie

📚

Documentatie

Twee-Foton Absorptie Calculator - Bereken TPA Coëfficiënt Online

Twee-foton absorptie (TPA) is een niet-lineair optisch proces waarbij moleculen gelijktijdig twee fotonen absorberen om hogere energietoestanden te bereiken. Onze gratis Twee-Foton Absorptie Calculator berekent onmiddellijk de twee-foton absorptiecoëfficiënt (β) met behulp van golflengte-, intensiteit- en pulsduratieparameters, wat essentieel is voor onderzoekers in niet-lineaire optica, twee-foton microscopie en fotodynamische therapie toepassingen.

Deze geavanceerde calculator stroomlijnt complexe TPA coëfficiënt berekeningen die cruciaal zijn voor het optimaliseren van laserparameters in wetenschappelijk onderzoek en industriële toepassingen. Of je nu optische opslagsystemen ontwerpt, nieuwe microscopietechnieken ontwikkelt of niet-lineaire optische materialen bestudeert, onze tool levert nauwkeurige resultaten in enkele seconden.

Wat is Twee-Foton Absorptie en Waarom de Coëfficiënt Berekenen?

Twee-foton absorptie is een kwantummechanisch proces waarbij een materiaal gelijktijdig twee fotonen absorbeert om over te gaan naar een geëxciteerde toestand. In tegenstelling tot traditionele absorptie van één foton, vertoont TPA een kwadratische afhankelijkheid van de intensiteit, wat uitzonderlijke ruimtelijke controle biedt voor precisietoepassingen.

De twee-foton absorptiecoëfficiënt (β) kwantificeert de efficiëntie van een materiaal in dit niet-lineaire proces. Voor het eerst voorspeld door Nobelprijswinnaar Maria Göppert-Mayer in 1931, bleef twee-foton absorptie theoretisch totdat lasertechnologie de experimentele observatie ervan in 1961 mogelijk maakte.

Tegenwoordig zijn TPA berekeningen fundamenteel voor:

Optimalisatie van twee-foton microscopie
Behandelplanning voor fotodynamische therapie
Ontwerp van optische gegevensopslag
3D microfabricageprocessen
Ontwikkeling van optische limiteringsapparaten

Formule voor Twee-Foton Absorptiecoëfficiënt: Hoe TPA te Berekenen

De twee-foton absorptiecoëfficiënt (β) kan worden berekend met behulp van de volgende vereenvoudigde TPA formule:

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

Waar:

$\beta$ = Twee-foton absorptiecoëfficiënt (cm/GW)
$K$ = Constant (1.5 in ons vereenvoudigde model)
$I$ = Intensiteit van het invallende licht (W/cm²)
$\tau$ = Pulsduur (femtoseconden, fs)
$\lambda$ = Golflengte van het invallende licht (nanometers, nm)

Deze formule vertegenwoordigt een vereenvoudigd model dat de essentiële fysica van twee-foton absorptie vastlegt. In werkelijkheid hangt de twee-foton absorptiecoëfficiënt ook af van de materiaaleigenschappen en de specifieke elektronische overgangen die betrokken zijn. Deze benadering biedt echter een goed startpunt voor veel praktische toepassingen.

Begrijpen van de Variabelen

Golflengte (λ): Gemeten in nanometers (nm), dit is de golflengte van het invallende licht. TPA vindt typisch plaats bij golflengten tussen 400-1200 nm, waarbij de efficiëntie afneemt bij langere golflengten. De coëfficiënt heeft een omgekeerde kwadratische afhankelijkheid van de golflengte.
Intensiteit (I): Gemeten in W/cm², dit vertegenwoordigt het vermogen per eenheid oppervlakte van het invallende licht. TPA vereist hoge intensiteiten, typisch in het bereik van 10¹⁰ tot 10¹⁴ W/cm². De coëfficiënt schaalt lineair met de intensiteit.
Pulsduur (τ): Gemeten in femtoseconden (fs), dit is de duur van de lichtpuls. Typische waarden variëren van 10 tot 1000 fs. De coëfficiënt schaalt lineair met de pulsduratie.
Constant (K): Deze dimensieloze constante (1.5 in ons model) houdt rekening met verschillende materiaaleigenschappen en eenheidsconversies. In meer gedetailleerde modellen zou dit worden vervangen door materiaalspecifieke parameters.

Hoe de Twee-Foton Absorptiecoëfficiënt Calculator te Gebruiken: Stapsgewijze Handleiding

Onze TPA coëfficiënt calculator vereenvoudigt complexe twee-foton absorptie berekeningen via een intuïtieve interface. Volg deze stappen om je twee-foton absorptiecoëfficiënt te berekenen:

Voer de Golflengte In: Voer de golflengte van je invallende licht in nanometers (nm) in. Typische waarden variëren van 400 tot 1200 nm.
Voer de Intensiteit In: Voer de intensiteit van je lichtbron in W/cm² in. Je kunt wetenschappelijke notatie gebruiken (bijv. 1e12 voor 10¹²).
Voer de Pulsduur In: Voer de pulsduratie in femtoseconden (fs) in.
Bekijk het Resultaat: De calculator toont onmiddellijk de twee-foton absorptiecoëfficiënt in cm/GW.
Kopieer het Resultaat: Gebruik de knop "Kopieer Resultaat" om de berekende waarde naar je klembord te kopiëren.

De calculator biedt ook:

Visuele feedback via een dynamische visualisatie
Waarschuwingsberichten voor waarden buiten typische bereiken
Berekeningsdetails die uitleggen hoe het resultaat is afgeleid

Invoervalidatie en Beperkingen

De calculator voert verschillende validatiecontroles uit om nauwkeurige resultaten te waarborgen:

Alle invoerwaarden moeten positieve getallen zijn
Waarschuwingen worden weergegeven voor waarden buiten typische bereiken:
- Golflengte: 400-1200 nm
- Intensiteit: 10¹⁰ tot 10¹⁴ W/cm²
- Pulsduur: 10-1000 fs

Hoewel de calculator nog steeds resultaten zal berekenen voor waarden buiten deze bereiken, kan de nauwkeurigheid van het vereenvoudigde model verminderd zijn.

Berekeningsmethode

De calculator gebruikt de bovenstaande formule om de twee-foton absorptiecoëfficiënt te berekenen. Hier is een stapsgewijze uiteenzetting van het berekeningsproces:

Valideer alle invoerparameters om ervoor te zorgen dat ze positieve getallen zijn
Converteer de intensiteit van W/cm² naar GW/cm² door te delen door 10⁹
Pas de formule toe: β = K × (I × τ) / λ²
Toon het resultaat in cm/GW

Bijvoorbeeld, met golflengte = 800 nm, intensiteit = 10¹² W/cm², en pulsduratie = 100 fs:

Converteer intensiteit: 10¹² W/cm² ÷ 10⁹ = 10³ GW/cm²
Bereken: β = 1.5 × (10³ × 100) ÷ (800)² = 1.5 × 10⁵ ÷ 640.000 = 0.234375 cm/GW

Toepassingen van Twee-Foton Absorptie: Onderzoek en Industriële Toepassingen

De twee-foton absorptiecoëfficiënt is cruciaal voor het optimaliseren van de prestaties in diverse TPA-toepassingen in wetenschappelijk onderzoek en de industrie:

1. Twee-Foton Fluorescentie Microscopie

Twee-foton microscopie benut TPA om hoge-resolutie, driedimensionale beelden van biologische monsters te verkrijgen. De kwadratische afhankelijkheid van de intensiteit beperkt de excitatie natuurlijk tot het brandpunt, waardoor fotobleking en fototoxiciteit in uit-focus gebieden worden verminderd.

Voorbeeld: Een onderzoeker die een Ti:Sapphire laser op 800 nm met 100 fs pulsen gebruikt, moet de twee-foton absorptiecoëfficiënt berekenen om de beelddiepte in hersenweefsel te optimaliseren. Met onze calculator en een intensiteit van 5×10¹² W/cm² kan hij snel β = 1.17 cm/GW bepalen.

2. Fotodynamische Therapie

Twee-foton excitatie maakt precieze activatie van fotosensitizers mogelijk op grotere diepten in weefsels met behulp van nabij-infrarood licht, dat effectiever door weefsel dringt dan zichtbaar licht.

Voorbeeld: Een medisch onderzoeker die een nieuwe fotosensitizer voor kankerbehandeling ontwikkelt, moet de twee-foton absorptie-eigenschappen karakteriseren. Met onze calculator kan hij de optimale golflengte en intensiteit bepalen voor maximaal therapeutisch effect, terwijl hij schade aan omliggend gezond weefsel minimaliseert.

3. Optische Gegevensopslag

TPA maakt driedimensionale optische gegevensopslag mogelijk met hoge dichtheid en selectiviteit. Door een laserstraal binnen een fotosensitief materiaal te focussen, kunnen gegevens op specifieke driedimensionale coördinaten worden geschreven.

Voorbeeld: Een ingenieur die een nieuw optisch opslagmedium ontwerpt, moet de twee-foton absorptiecoëfficiënt berekenen om het minimale laservermogen te bepalen dat nodig is voor betrouwbare gegevensschrijvingen, terwijl hij crosstalk tussen aangrenzende opslaglocaties voorkomt.

4. Microfabricage en 3D Printen

Twee-foton polymerisatie maakt de creatie van complexe driedimensionale microstructuren mogelijk met feature-groottes onder de diffractiegrens.

Voorbeeld: Een materiaalkundige die een nieuwe fotopolymeer voor 3D microfabricage ontwikkelt, gebruikt onze calculator om de optimale laserparameters (golflengte, intensiteit, pulsduratie) te bepalen voor het bereiken van de gewenste polymerisatie-efficiëntie en ruimtelijke resolutie.

5. Optische Limitering

Materialen met hoge twee-foton absorptiecoëfficiënten kunnen worden gebruikt als optische limiters om gevoelige optische componenten te beschermen tegen hoge-intensiteit laserpulsen.

Voorbeeld: Een defensiecontractant die beschermende brillen voor piloten ontwerpt, moet de twee-foton absorptiecoëfficiënt van verschillende materialen berekenen om diegenen te identificeren die optimale bescherming bieden tegen laserbedreigingen, terwijl ze goede zichtbaarheid onder normale omstandigheden behouden.

Alternatieve Niet-Lineaire Optische Technieken voor Twee-Foton Absorptie

Hoewel twee-foton absorptie uitblinkt in veel toepassingen, kunnen andere niet-lineaire optische processen optimaal zijn voor specifieke scenario's die verschillende TPA coëfficiënt kenmerken vereisen:

Drie-Foton Absorptie: Biedt nog grotere ruimtelijke beperking en diepere penetratie, maar vereist hogere intensiteiten.
Tweede Harmonic Generatie (SHG): Converteert twee fotonen van dezelfde frequentie in een enkel foton van twee keer de frequentie, nuttig voor frequentieconversie en het afbeelden van collageen en andere niet-centrosymmetrische structuren.
Gestimuleerde Raman Verstrooiing (SRS): Biedt labelvrije chemische contrast op basis van vibratiemodi, nuttig voor het afbeelden van lipiden en andere biomoleculen.
Enkel-Foton Confocale Microscopie: Eenvoudiger en goedkoper dan twee-foton microscopie, maar met minder dieptepenetratie en meer fotobleking.
Optische Coherentie Tomografie (OCT): Biedt structurele beeldvorming met hoge dieptepenetratie, maar lagere resolutie dan twee-foton microscopie.

Geschiedenis van Twee-Foton Absorptie

De theoretische basis voor twee-foton absorptie werd gelegd door Maria Göppert-Mayer in haar doctoraalscriptie uit 1931, waarin ze voorspelde dat een atoom of molecuul gelijktijdig twee fotonen kon absorberen in een enkele kwantumgebeurtenis. Voor dit baanbrekende werk ontving ze later de Nobelprijs voor Natuurkunde in 1963.

Echter, experimentele verificatie van twee-foton absorptie moest wachten tot de uitvinding van de laser in 1960, die de hoge intensiteiten bood die nodig waren om dit niet-lineaire optische fenomeen te observeren. In 1961 rapporteerden Kaiser en Garrett bij Bell Labs de eerste experimentele observatie van twee-foton absorptie in een europium-geïndopeerde kristal.

De ontwikkeling van ultrakorte pulslasers in de jaren '80 en '90, met name de Ti:Sapphire laser, revolutioneerde het veld door de hoge piekintensiteiten en golflengte-tunabiliteit te bieden die ideaal zijn voor twee-foton excitatie. Dit leidde tot de uitvinding van twee-foton microscopie door Winfried Denk, James Strickler en Watt Webb aan de Cornell Universiteit in 1990, die sindsdien een onmisbaar hulpmiddel is geworden in biologische beeldvorming.

In de afgelopen decennia is het onderzoek gericht op het ontwikkelen van materialen met verbeterde twee-foton absorptie kruissecties, het begrijpen van de structuur-eigenschap relaties die TPA beheersen, en het uitbreiden van de toepassingen van twee-foton processen in velden variërend van biomedicine tot informatietechnologie.

De meting en berekening van twee-foton absorptiecoëfficiënten zijn geëvolueerd van complexe experimentele opstellingen naar meer toegankelijke computationele methoden en vereenvoudigde modellen zoals het model dat in onze calculator wordt gebruikt, waardoor deze belangrijke parameter toegankelijker wordt voor onderzoekers in verschillende disciplines.

Voorbeelden van TPA Coëfficiënt Berekening: Meerdere Programmeertalen

Implementeer twee-foton absorptiecoëfficiënt berekeningen in je favoriete programmeertaal met behulp van deze TPA formule voorbeelden:

1def calculate_tpa_coefficient(wavelength, intensity, pulse_duration, k=1.5):
2    """
3    Bereken de twee-foton absorptiecoëfficiënt.
4    
5    Parameters:
6    wavelength (float): Golflengte in nanometers
7    intensity (float): Intensiteit in W/cm²
8    pulse_duration (float): Pulsduur in femtoseconden
9    k (float): Constant (standaard: 1.5)
10    
11    Returns:
12    float: Twee-foton absorptiecoëfficiënt in cm/GW
13    """
14    # Converteer intensiteit van W/cm² naar GW/cm²
15    intensity_gw = intensity / 1e9
16    
17    # Bereken de twee-foton absorptiecoëfficiënt
18    beta = k * (intensity_gw * pulse_duration) / (wavelength ** 2)
19    
20    return beta
21
22# Voorbeeld gebruik
23wavelength = 800  # nm
24intensity = 1e12  # W/cm²
25pulse_duration = 100  # fs
26
27beta = calculate_tpa_coefficient(wavelength, intensity, pulse_duration)
28print(f"Twee-foton absorptiecoëfficiënt: {beta:.6f} cm/GW")
29

1function calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration, k = 1.5) {
2  // Converteer intensiteit van W/cm² naar GW/cm²
3  const intensityGw = intensity / 1e9;
4  
5  // Bereken de twee-foton absorptiecoëfficiënt
6  const beta = k * (intensityGw * pulseDuration) / Math.pow(wavelength, 2);
7  
8  return beta;
9}
10
11// Voorbeeld gebruik
12const wavelength = 800;  // nm
13const intensity = 1e12;  // W/cm²
14const pulseDuration = 100;  // fs
15
16const beta = calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration);
17console.log(`Twee-foton absorptiecoëfficiënt: ${beta.toFixed(6)} cm/GW`);
18

1public class TwoPhotonAbsorptionCalculator {
2    public static double calculateTpaCoefficient(double wavelength, double intensity, 
3                                                double pulseDuration, double k) {
4        // Converteer intensiteit van W/cm² naar GW/cm²
5        double intensityGw = intensity / 1e9;
6        
7        // Bereken de twee-foton absorptiecoëfficiënt
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/cm²
16        double pulseDuration = 100;  // fs
17        double k = 1.5;  // Constant
18        
19        double beta = calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration, k);
20        System.out.printf("Twee-foton absorptiecoëfficiënt: %.6f cm/GW%n", beta);
21    }
22}
23

function beta = calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration, k)
    % Bereken de twee-foton absorptiecoëfficiënt
    %
    % Parameters:
    % wavelength - Golflengte in nanometers
    % intensity - Intensiteit in W/cm²
    % pulseDuration - Pulsduur in femt

🔗

Gerelateerde Tools

Ontdek meer tools die handig kunnen zijn voor uw workflow