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/جيجاوات)
K = ثابت (1.5)
I = الشدة (وات/سم²)
τ = مدة النبضة (فيمتوثانية)
λ = الطول الموجي (نانومتر)

الطول الموجي

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

الشدة

W/cm²

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

مدة النبضة

مدة نبضة الضوء (عادةً 10-1000 فيمتوثانية)

النتيجة

أدخل معلمات صحيحة لحساب النتيجة

التصور

📚

التوثيق

آلة حاسبة لامتصاص الفوتونين - أداة مجانية عبر الإنترنت للبصريات غير الخطية

ما هو امتصاص الفوتونين وكيفية حسابه؟

امتصاص الفوتونين (TPA) هو عملية بصرية غير خطية حيث يمتص جزيء فوتونين في نفس الوقت للوصول إلى حالة طاقة أعلى. على عكس امتصاص الفوتون الواحد، يعتمد امتصاص الفوتونين بشكل تربيعي على كثافة الضوء، مما يتيح التحكم المكاني الدقيق في التطبيقات المتقدمة مثل المجهر والعلاج الضوئي الديناميكي.

تقوم آلة حاسبة لامتصاص الفوتونين لدينا بحساب معامل امتصاص الفوتونين (β) على الفور باستخدام ثلاثة معلمات رئيسية: الطول الموجي، الكثافة، ومدة النبضة. تساعد هذه الأداة المجانية عبر الإنترنت الباحثين والطلاب والمحترفين على تحديد القيم الحرجة بسرعة لأبحاثهم وتطبيقاتهم في البصريات غير الخطية.

تم التنبؤ بهذه الظاهرة البصرية غير الخطية لأول مرة من قبل ماريا غوبيرت-ماير في عام 1931، ولكن لم يتم ملاحظتها تجريبيًا حتى اختراع الليزر في الستينيات. اليوم، يعد امتصاص الفوتونين أساسيًا للعديد من التطبيقات المتقدمة بما في ذلك المجهر، العلاج الضوئي الديناميكي، تخزين البيانات البصرية، والميكروفابريكيشن.

ي quantifies معامل امتصاص الفوتونين (β) ميل المادة لامتصاص فوتونين في نفس الوقت. تستخدم هذه الآلة الحاسبة نموذجًا مبسطًا لتقدير β بناءً على الطول الموجي للضوء الساقط، كثافة الضوء، ومدة النبضة - مما يوفر للباحثين والطلاب والمحترفين وسيلة سريعة لحساب هذه المعلمة المهمة.

صيغة ومعادلة معامل امتصاص الفوتونين

يمكن حساب معامل امتصاص الفوتونين (β) باستخدام الصيغة 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)
$I$ = كثافة 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 بشكل عكسي على مربع الطول الموجي.
الكثافة (I): يقاس بوحدات W/سم²، ويمثل القدرة لكل وحدة مساحة من الضوء الساقط. يتطلب TPA كثافات عالية، عادة في نطاق 10¹⁰ إلى 10¹⁴ W/سم². يتناسب المعامل خطيًا مع الكثافة.
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 تفصيلًا، سيتم استبداله بمعلمات محددة للمادة.

كيفية استخدام آلة حاسبة لامتصاص الفوتونين

تجعل آلة حاسبة لامتصاص الفوتونين لدينا من السهل تحديد معامل امتصاص الفوتونين من خلال اتباع هذه الخطوات:

أدخل الطول الموجي: أدخل الطول الموجي للضوء الساقط لديك بالنانومتر (nm). تتراوح القيم النموذجية من 400 إلى 1200 nm.
أدخل الكثافة: أدخل كثافة 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 الآلة الحاسبة على الفور معامل امتصاص الفوتونين بوحدات سم/GW.
نسخ النتيجة: استخدم زر "نسخ النتيجة" لنسخ القيمة المحسوبة إلى الحافظة الخاصة بك.

توفر الآلة الحاسبة أيضًا:

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

التحقق من المدخلات والقيود

تقوم الآلة 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
- الكثافة: 10¹⁰ إلى 10¹⁴ W/سم²
- مدة النبضة: 10-1000 fs

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

طريقة الحساب

تستخدم الآلة 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 الكثافة 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، الكثافة = 10¹² W/سم²، ومدة النبضة = 100 fs:

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

تطبيقات امتصاص الفوتونين في البحث والصناعة

يمتلك امتصاص الفوتونين العديد من التطبيقات عبر مجالات علمية وتكنولوجية متنوعة:

1. المجهر ثنائي الفوتون

يستفيد المجهر ثنائي الفوتون من TPA لتحقيق تصوير ثلاثي الأبعاد عالي الدقة للعينات البيولوجية. يعتمد الاعتماد التربيعي على الكثافة بشكل طبيعي على حصر الإثارة في نقطة التركيز، مما يقلل من التبييض الضوئي 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 الآلة الحاسبة لدينا مع الكثافة = 5×10¹² W/سم²، يمكنه بسرعة تحديد β = 1.17 سم/GW.

2. العلاج الضوئي الديناميكي

يسمح الإثارة ثنائية الفوتون بتنشيط دقيق للمواد الحساسة للضوء في أعماق الأنسجة الأكبر باستخدام الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء، الذي يخترق الأنسجة بشكل أكثر فعالية من الضوء المرئي.

مثال: يحتاج باحث طبي يطور مادة حساسة جديدة لعلاج السرطان إلى تصنيف خصائص امتصاص الفوتونين الخاصة بها. باستخدام الآلة الحاسبة لدينا، يمكنه تحديد الطول الموجي والكثافة 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 ليزر داخل مادة حساسة للضوء، يمكن كتابة البيانات عند إحداثيات ثلاثية الأبعاد محددة.

مثال: يحتاج مهندس مصمم لوسيط 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. الميكروفابريكيشن والطباعة ثلاثية الأبعاد

تسمح البلمرة ثنائية الفوتون بإنشاء هياكل ميكروية ثلاثية الأبعاد معقدة بأحجام ميزات أقل من حد الانكسار.

مثال: يستخدم عالم المواد الذي يطور مادة بلمرة جديدة للميكروفابريكيشن الآلة الحاسبة لدينا لتحديد المعلمات المثلى لليزر (الطول الموجي، الكثافة، مدة النبضة) لتحقيق الكفاءة المطلوبة في البلمرة والدقة المكانية.

5. الحد البصري

يمكن استخدام المواد ذات معامل امتصاص الفوتونين العالي كحدود بصرية لحماية المكونات البصرية الحساسة من نبضات الليزر عالية الكثافة.

مثال: يحتاج مقاول دفاعي مصمم لنظارات 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.

بدائل لامتصاص الفوتونين

بينما يعد امتصاص الفوتونين قويًا للعديد من التطبيقات، قد تكون العمليات البصرية غير الخطية البديلة أكثر ملاءمة في سيناريوهات معينة:

امتصاص ثلاثي الفوتونات: يوفر حصرًا مكانيًا أكبر واختراقًا أعمق ولكنه يتطلب كثافات 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.
المجهر الضوئي أحادي الفوتون: أبسط وأقل تكلفة من المجهر ثنائي الفوتون، ولكن مع اختراق أقل وارتفاع التبييض الضوئي.
التصوير المقطعي بالتداخل البصري (OCT): يوفر تصويرًا هيكليًا مع اختراق عميق ولكن بدقة أقل من المجهر ثنائي الفوتون.

تاريخ امتصاص الفوتونين

تم وضع الأساس النظري لامتصاص الفوتونين من قبل ماريا غوبيرت-ماير في أطروحتها للدكتوراه عام 1931، حيث توقعت أن الذرة أو الجزيء يمكن أن يمتص فوتونين 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 الكثافات 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.

أحدث تطوير ليزر النبضات القصيرة في الثمانينيات والتسعينيات، وخاصة ليزر Ti:Sapphire، ثورة في هذا المجال من خلال توفير الكثافات العالية والقدرة على ضبط الطول الموجي المثالي للإثارة ثنائية الفوتون. أدى ذلك إلى اختراع المجهر ثنائي الفوتون من قبل وينفريد دينك، وجيمس ستريكلر، ووات ويب في جامعة كورنيل في عام 1990، والذي أصبح منذ ذلك الحين أداة لا غنى عنها في التصوير البيولوجي.

في العقود الأخيرة، ركزت الأبحاث على تطوير مواد ذات مقاطع امتصاص ثنائية الفوتون محسّنة، 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 الآلة الحاسبة لدينا، مما يجعل هذه المعلمة المهمة أكثر وصولاً للباحثين عبر التخصصات.

أمثلة على الشيفرات لحساب امتصاص الفوتونين

إليك أمثلة في لغات برمجة مختلفة لحساب معامل امتصاص الفوتونين باستخدام صيغتنا:

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): الكثافة 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 الكثافة 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 الكثافة 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 الكثافة 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 - الكثافة بوحدات W/سم²
    % pulseDuration - مدة النبضة بالفيمتوثانية
    % k - ثابت (افتراضي 1.5)
    %
    % العائدات:
    % beta - معامل امتصاص الفوتونين بوحدات سم/GW
    
    if nargin < 4
        k = 1.5;
    end
    
    % تحويل الكثافة من W/سم² إلى GW/سم²
    intensityGw = intensity / 1e9;
    
    % حساب معامل امتصاص الفوتونين
    beta = k * (intensityGw * pulseDuration) / (wavelength ^ 2);
end

% مثال على الاستخدام
wavelength = 800;  % nm
intensity = 1e12;  % W/سم²
pulseDuration = 100;  % fs

beta = calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration);
fprintf('معامل امتصاص الفوتونين: %.6

💬

ردود الفعل

💬

انقر على الخبز المحمص لبدء إعطاء التغذية الراجعة حول هذه الأداة

🔗

الأدوات ذات الصلة

اكتشف المزيد من الأدوات التي قد تكون مفيدة لسير عملك