দুই-ফোটন শোষণ ক্যালকুলেটর - অ-রৈখিক অপটিক্সের জন্য বিনামূল্যে অনলাইন টুল

দুই-ফোটন শোষণ কী এবং এটি কিভাবে গণনা করবেন?

দুই-ফোটন শোষণ (TPA) একটি অ-রৈখিক অপটিক্যাল প্রক্রিয়া যেখানে একটি অণু একসাথে দুটি ফোটন শোষণ করে একটি উচ্চ শক্তির অবস্থায় পৌঁছায়। একক-ফোটন শোষণের তুলনায়, দুই-ফোটন শোষণ আলোর তীব্রতার উপর চতুর্থাংশভাবে নির্ভর করে, যা মাইক্রোস্কোপি এবং ফটোডাইনামিক থেরাপির মতো উন্নত অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে সঠিক স্থানীয় নিয়ন্ত্রণ সক্ষম করে।

আমাদের দুই-ফোটন শোষণ ক্যালকুলেটর তিনটি মূল প্যারামিটার: তরঙ্গদৈর্ঘ্য, তীব্রতা এবং পালসের সময়কাল ব্যবহার করে দুই-ফোটন শোষণ সহগ (β) তাত্ক্ষণিকভাবে গণনা করে। এই বিনামূল্যে অনলাইন টুলটি গবেষক, ছাত্র এবং পেশাদারদের তাদের অ-রৈখিক অপটিক্স গবেষণা এবং অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য গুরুত্বপূর্ণ মানগুলি দ্রুত নির্ধারণ করতে সহায়তা করে।

এই অ-রৈখিক অপটিক্যাল ঘটনা প্রথম ১৯৩১ সালে মারিয়া গোপার্ট-মায়ার দ্বারা পূর্বাভাস দেওয়া হয়েছিল, তবে ১৯৬০-এর দশকে লেজারের আবিষ্কারের আগে এটি পরীক্ষামূলকভাবে পর্যবেক্ষণ করা হয়নি। আজ, দুই-ফোটন শোষণ মাইক্রোস্কোপি, ফটোডাইনামিক থেরাপি, অপটিক্যাল ডেটা স্টোরেজ এবং মাইক্রোফ্যাব্রিকেশন সহ অসংখ্য উন্নত অ্যাপ্লিকেশনের জন্য মৌলিক।

দুই-ফোটন শোষণ সহগ (β) একটি উপাদানের একসাথে দুটি ফোটন শোষণের প্রবণতা পরিমাপ করে। এই ক্যালকুলেটরটি ঘটনাস্থল আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্য, আলোর তীব্রতা এবং পালসের সময়কাল ভিত্তিক β অনুমান করতে একটি সহজীকৃত মডেল ব্যবহার করে—গবেষক, ছাত্র এবং পেশাদারদের জন্য এই গুরুত্বপূর্ণ প্যারামিটারটি গণনা করার একটি দ্রুত উপায় প্রদান করে।

দুই-ফোটন শোষণ সহগের সূত্র এবং গণনা

দুই-ফোটন শোষণ সহগ (β) নিম্নলিখিত সহজীকৃত সূত্র ব্যবহার করে গণনা করা যেতে পারে:

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

যেখানে:

• $\beta$ = দুই-ফোটন শোষণ সহগ (সেমি/GW)
• $K$ = ধ্রুবক (আমাদের সহজীকৃত মডেলে 1.5)
• $I$ = ঘটনাস্থল আলোর তীব্রতা (W/cm²)
• $\tau$ = পালসের সময়কাল (ফেমটোসেকেন্ড, fs)
• $\lambda$ = ঘটনাস্থল আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্য (ন্যানোমিটার, nm)

এই সূত্রটি একটি সহজীকৃত মডেল উপস্থাপন করে যা দুই-ফোটন শোষণের মৌলিক পদার্থবিদ্যা ধারণ করে। বাস্তবে, দুই-ফোটন শোষণ সহগ উপাদানের বৈশিষ্ট্য এবং সংশ্লিষ্ট বৈদ্যুতিন স্থানান্তরের উপরও নির্ভর করে। তবে, এই অনুমানটি অনেক ব্যবহারিক অ্যাপ্লিকেশনের জন্য একটি ভাল শুরু পয়েন্ট প্রদান করে।

ভেরিয়েবলগুলি বোঝা

1. তরঙ্গদৈর্ঘ্য (λ): ন্যানোমিটারে (nm) পরিমাপ করা হয়, এটি ঘটনাস্থল আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্য। TPA সাধারণত 400-1200 nm এর মধ্যে তরঙ্গদৈর্ঘ্যে ঘটে, দীর্ঘ তরঙ্গদৈর্ঘ্যে দক্ষতা কমে যায়। সহগের উপর তরঙ্গদৈর্ঘ্যের বিপরীত বর্গ নির্ভরতা রয়েছে।

2. তীব্রতা (I): W/cm² তে পরিমাপ করা হয়, এটি ঘটনাস্থল আলোর প্রতি ইউনিট এলাকার শক্তি প্রতিনিধিত্ব করে। TPA উচ্চ তীব্রতার প্রয়োজন, সাধারণত 10¹⁰ থেকে 10¹⁴ W/cm² এর মধ্যে। সহগ তীব্রতার সাথে সরলরেখায় স্কেল করে।

3. পালসের সময়কাল (τ): ফেমটোসেকেন্ড (fs) এ পরিমাপ করা হয়, এটি আলোর পালসের সময়কাল। সাধারণ মানগুলি 10 থেকে 1000 fs এর মধ্যে। সহগ পালসের সময়কালের সাথে সরলরেখায় স্কেল করে।

4. ধ্রুবক (K): এই মাত্রাহীন ধ্রুবক (আমাদের মডেলে 1.5) বিভিন্ন উপাদানের বৈশিষ্ট্য এবং ইউনিট রূপান্তরের জন্য হিসাব করে। আরও বিস্তারিত মডেলে, এটি উপাদান-নির্দিষ্ট প্যারামিটার দ্বারা প্রতিস্থাপিত হবে।

দুই-ফোটন শোষণ ক্যালকুলেটর ব্যবহার করার উপায়

আমাদের দুই-ফোটন শোষণ ক্যালকুলেটরটি নিম্নলিখিত পদক্ষেপগুলি অনুসরণ করে দুই-ফোটন শোষণ সহগ নির্ধারণ করা সহজ করে:

1. তরঙ্গদৈর্ঘ্য প্রবেশ করুন: আপনার ঘটনাস্থল আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্য ন্যানোমিটারে (nm) প্রবেশ করুন। সাধারণ মানগুলি 400 থেকে 1200 nm এর মধ্যে।

2. তীব্রতা প্রবেশ করুন: আপনার আলোর উৎসের তীব্রতা W/cm² তে প্রবেশ করুন। আপনি বৈজ্ঞানিক নোটেশন ব্যবহার করতে পারেন (যেমন, 1e12 এর জন্য 10¹²)।

3. পালসের সময়কাল প্রবেশ করুন: পালসের সময়কাল ফেমটোসেকেন্ড (fs) এ প্রবেশ করুন।

4. ফলাফল দেখুন: ক্যালকুলেটরটি তাত্ক্ষণিকভাবে সেমি/GW তে দুই-ফোটন শোষণ সহগ প্রদর্শন করবে।

5. ফলাফল কপি করুন: গণনা করা মানটি আপনার ক্লিপবোর্ডে কপি করতে "ফলাফল কপি করুন" বোতামটি ব্যবহার করুন।

ক্যালকুলেটরটি এছাড়াও প্রদান করে:

• একটি গতিশীল ভিজ্যুয়ালাইজেশনের মাধ্যমে ভিজ্যুয়াল প্রতিক্রিয়া
• সাধারণ পরিসরের বাইরে মানগুলির জন্য সতর্কতা বার্তা
• ফলাফল কিভাবে প্রাপ্ত হয়েছে তা ব্যাখ্যা করে গণনার বিস্তারিত

ইনপুট যাচাইকরণ এবং সীমাবদ্ধতা

ক্যালকুলেটরটি সঠিক ফলাফল নিশ্চিত করতে বেশ কয়েকটি যাচাইকরণ পরীক্ষা করে:

• সমস্ত ইনপুট পজিটিভ সংখ্যা হতে হবে
• সাধারণ পরিসরের বাইরে মানগুলির জন্য সতর্কতা প্রদর্শিত হয়:
  • তরঙ্গদৈর্ঘ্য: 400-1200 nm
  • তীব্রতা: 10¹⁰ থেকে 10¹⁴ W/cm²
  • পালসের সময়কাল: 10-1000 fs

যদিও ক্যালকুলেটরটি এই পরিসরের বাইরে মানগুলির জন্য ফলাফল গণনা করবে, তবে সহজীকৃত মডেলের সঠিকতা কমে যেতে পারে।

গণনার পদ্ধতি

ক্যালকুলেটরটি উপরের উল্লিখিত সূত্রটি ব্যবহার করে দুই-ফোটন শোষণ সহগ গণনা করে। গণনার প্রক্রিয়ার একটি পদক্ষেপ-দ্বারা-পদক্ষেপ বিশ্লেষণ এখানে রয়েছে:

1. সমস্ত ইনপুট প্যারামিটার যাচাই করুন যাতে তারা পজিটিভ সংখ্যা হয়
2. W/cm² থেকে GW/cm² তে তীব্রতা রূপান্তর করুন 10⁹ দ্বারা ভাগ করে
3. সূত্র প্রয়োগ করুন: β = K × (I × τ) / λ²
4. ফলাফল সেমি/GW তে প্রদর্শন করুন

উদাহরণস্বরূপ, তরঙ্গদৈর্ঘ্য = 800 nm, তীব্রতা = 10¹² W/cm², এবং পালসের সময়কাল = 100 fs:

• তীব্রতা রূপান্তর করুন: 10¹² W/cm² ÷ 10⁹ = 10³ GW/cm²
• গণনা করুন: β = 1.5 × (10³ × 100) ÷ (800)² = 1.5 × 10⁵ ÷ 640,000 = 0.234375 সেমি/GW

গবেষণা এবং শিল্পে দুই-ফোটন শোষণের অ্যাপ্লিকেশন

দুই-ফোটন শোষণের বিভিন্ন বৈজ্ঞানিক এবং প্রযুক্তিগত ক্ষেত্রে অসংখ্য অ্যাপ্লিকেশন রয়েছে:

1. দুই-ফোটন মাইক্রোস্কোপি

দুই-ফোটন মাইক্রোস্কোপি TPA ব্যবহার করে জীববিজ্ঞানের নমুনার উচ্চ-রেজোলিউশন, ত্রিমাত্রিক চিত্রায়ণ অর্জন করে। তীব্রতার উপর চতুর্থাংশ নির্ভরতা স্বাভাবিকভাবেই উত্তেজনাকে ফোকাল পয়েন্টে সীমাবদ্ধ করে, ফোকাল পয়েন্টের বাইরে ফটোব্লিচিং এবং ফটোটক্সিসিটি কমায়।

উদাহরণ: একটি গবেষক 800 nm এ 100 fs পালস সহ একটি Ti:Sapphire লেজার ব্যবহার করে মস্তিষ্কের টিস্যুতে চিত্রায়ণের গভীরতা অপ্টিমাইজ করতে দুই-ফোটন শোষণ সহগ গণনা করতে চান। আমাদের ক্যালকুলেটর ব্যবহার করে তীব্রতা = 5×10¹² W/cm², তারা দ্রুত β = 1.17 সেমি/GW নির্ধারণ করতে পারেন।

2. ফটোডাইনামিক থেরাপি

দুই-ফোটন উত্তেজনা টিস্যুর গভীরতায় ফটোসেন্সিটাইজারগুলির সঠিক সক্রিয়করণকে অনুমোদন করে, যা দৃশ্যমান আলোর তুলনায় টিস্যুতে আরও কার্যকরভাবে প্রবেশ করে।

উদাহরণ: একটি মেডিকেল গবেষক ক্যান্সার চিকিৎসার জন্য একটি নতুন ফটোসেন্সিটাইজার তৈরি করছেন, তাদের দুই-ফোটন শোষণের বৈশিষ্ট্যগুলি চিহ্নিত করতে হবে। আমাদের ক্যালকুলেটর ব্যবহার করে, তারা সর্বাধিক থেরাপিউটিক প্রভাবের জন্য সর্বোত্তম তরঙ্গদৈর্ঘ্য এবং তীব্রতা নির্ধারণ করতে পারেন, যখন আশেপাশের স্বাস্থ্যকর টিস্যুর ক্ষতি কমিয়ে।

3. অপটিক্যাল ডেটা স্টোরেজ

TPA উচ্চ ঘনত্ব এবং নির্বাচনের সাথে ত্রিমাত্রিক অপটিক্যাল ডেটা স্টোরেজ সক্ষম করে। একটি ফটোসেন্সিটিভ উপাদানের ভিতরে একটি লেজার বিম ফোকাস করে, নির্দিষ্ট ত্রিমাত্রিক সমন্বয়ে ডেটা লেখা যেতে পারে।

উদাহরণ: একটি প্রকৌশলী একটি নতুন অপটিক্যাল স্টোরেজ মাধ্যম ডিজাইন করছেন, তাদের নির্ভরযোগ্য ডেটা লেখার জন্য প্রয়োজনীয় সর্বনিম্ন লেজার শক্তি নির্ধারণ করতে দুই-ফোটন শোষণ সহগ গণনা করতে হবে, পাশাপাশি পার্শ্ববর্তী স্টোরেজ অবস্থানের মধ্যে ক্রসটক এড়াতে হবে।

4. মাইক্রোফ্যাব্রিকেশন এবং 3D প্রিন্টিং

দুই-ফোটন পলিমারাইজেশন জটিল ত্রিমাত্রিক মাইক্রোস্ট্রাকচার তৈরি করতে দেয় যার বৈশিষ্ট্য আকার বিচ্ছুরণ সীমার নিচে।

উদাহরণ: একটি উপাদান বিজ্ঞানী 3D মাইক্রোফ্যাব্রিকেশনের জন্য একটি নতুন ফটোপলিমার তৈরি করছেন, আমাদের ক্যালকুলেটর ব্যবহার করে তারা পলিমারাইজেশন দক্ষতা এবং স্থানীয় রেজোলিউশন অর্জনের জন্য সর্বোত্তম লেজার প্যারামিটার (তরঙ্গদৈর্ঘ্য, তীব্রতা, পালসের সময়কাল) নির্ধারণ করেন।

5. অপটিক্যাল লিমিটিং

উচ্চ দুই-ফোটন শোষণ সহগযুক্ত উপাদানগুলি উচ্চ-তীব্রতার লেজার পালস থেকে সংবেদনশীল অপটিক্যাল উপাদানগুলিকে রক্ষা করতে অপটিক্যাল লিমিটার হিসাবে ব্যবহার করা যেতে পারে।

উদাহরণ: একটি প্রতিরক্ষা ঠিকাদার পাইলটদের জন্য সুরক্ষামূলক চশমা ডিজাইন করছেন, তাদের বিভিন্ন উপাদানের দুই-ফোটন শোষণ সহগ গণনা করতে হবে যাতে লেজার হুমকির বিরুদ্ধে সর্বোত্তম সুরক্ষা প্রদান করে, যখন স্বাভাবিক অবস্থায় ভাল দৃশ্যমানতা বজায় রাখে।

দুই-ফোটন শোষণের বিকল্প

যদিও দুই-ফোটন শোষণ অনেক অ্যাপ্লিকেশনের জন্য শক্তিশালী, কিছু পরিস্থিতিতে বিকল্প অ-রৈখিক অপটিক্যাল প্রক্রিয়া আরও উপযুক্ত হতে পারে:

1. তিন-ফোটন শোষণ: আরও গভীর প্রবেশ এবং স্থানীয় সীমাবদ্ধতা প্রদান করে তবে উচ্চ তীব্রতার প্রয়োজন।

2. দ্বিতীয় হারমোনিক উৎপাদন (SHG): একই ফ্রিকোয়েন্সির দুটি ফোটনকে দ্বিগুণ ফ্রিকোয়েন্সির একটি একক ফোটনে রূপান্তর করে, ফ্রিকোয়েন্সি রূপান্তর এবং কলাজেন এবং অন্যান্য অ-সেন্ট্রোসিমেট্রিক কাঠামোর চিত্রায়নের জন্য উপকারী।

3. উত্তেজিত রামান স্ক্যাটারিং (SRS): কম্পন মোডের উপর ভিত্তি করে লেবেল-মুক্ত রসায়নিক বৈসাদৃশ্য প্রদান করে, লিপিড এবং অন্যান্য জৈব অণুর চিত্রায়নের জন্য উপকারী।

4. একক-ফোটন কনফোকাল মাইক্রোস্কোপি: দুই-ফোটন মাইক্রোস্কোপির তুলনায় সহজ এবং কম ব্যয়বহুল, তবে কম গভীর প্রবেশ এবং আরও ফটোব্লিচিং।

5. অপটিক্যাল কোহেরেন্স টোমোগ্রাফি (OCT): উচ্চ গভীর প্রবেশের সাথে কাঠামোগত চিত্রায়ণ প্রদান করে তবে দুই-ফোটন মাইক্রোস্কোপির চেয়ে কম রেজোলিউশন।

দুই-ফোটন শোষণের ইতিহাস

দুই-ফোটন শোষণের তাত্ত্বিক ভিত্তি মারিয়া গোপার্ট-মায়ার তার ১৯৩১ সালের ডক্টরাল ডিসার্টেশনে স্থাপন করেছিলেন, যেখানে তিনি পূর্বাভাস দিয়েছিলেন যে একটি পরমাণু বা অণু একটি একক কোয়ান্টাম ঘটনায় একসাথে দুটি ফোটন শোষণ করতে পারে। এই groundbreaking কাজের জন্য, তিনি পরে ১৯৬৩ সালে পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরস্কার লাভ করেন।

তবে, দুই-ফোটন শোষণের পরীক্ষামূলক প্রমাণ লেজারের আবিষ্কারের জন্য অপেক্ষা করতে হয়েছিল ১৯৬০ সালে, যা এই অ-রৈখিক অপটিক্যাল ঘটনাটি পর্যবেক্ষণের জন্য প্রয়োজনীয় উচ্চ তীব্রতা প্রদান করে। ১৯৬১ সালে, বেল ল্যাবসে কাইজার এবং গ্যারেট প্রথম পরীক্ষামূলকভাবে ইউরোপিয়াম-ডোপড ক্রিস্টালে দুই-ফোটন শোষণের পর্যবেক্ষণ রিপোর্ট করেন।

১৯৮০ এবং ১৯৯০-এর দশকে আল্ট্রাশর্ট পালস লেজারের উন্নয়ন, বিশেষ করে Ti:Sapphire লেজার, এই ক্ষেত্রে বিপ্লব ঘটায় কারণ এটি দুই-ফোটন উত্তেজনার জন্য আদর্শ উচ্চ শিখর তীব্রতা এবং তরঙ্গদৈর্ঘ্য টিউনেবিলিটি প্রদান করে। এটি ১৯৯০ সালে কর্নেল বিশ্ববিদ্যালয়ে উইনফ্রিড ডেঙ্ক, জেমস স্ট্রিকলার এবং ওয়াট ওয়েব দ্বারা দুই-ফোটন মাইক্রোস্কোপির আবিষ্কারের দিকে নিয়ে যায়, যা পরে জীববিজ্ঞানের চিত্রায়ণে একটি অপরিহার্য টুল হয়ে ওঠে।

সাম্প্রতিক দশকগুলিতে, গবেষণা উন্নত দুই-ফোটন শোষণ ক্রস-সেকশন সহ উপাদানগুলি তৈরি করা, TPA নিয়ন্ত্রণকারী গঠন-সম্পত্তি সম্পর্ক বোঝা এবং জীববিদ্যা থেকে তথ্য প্রযুক্তি পর্যন্ত বিভিন্ন ক্ষেত্রে দুই-ফোটন প্রক্রিয়ার অ্যাপ্লিকেশন সম্প্রসারণের উপর কেন্দ্রীভূত হয়েছে।

দুই-ফোটন শোষণ সহগের পরিমাপ এবং গণনা জটিল পরীক্ষামূলক সেটআপ থেকে আরও প্রবেশযোগ্য গণনামূলক পদ্ধতি এবং আমাদের ক্যালকুলেটরে ব্যবহৃত সহজীকৃত মডেলগুলিতে বিবর্তিত হয়েছে, এই গুরুত্বপূর্ণ প্যারামিটারটি বিভিন্ন শাখার গবেষকদের জন্য আরও প্রবেশযোগ্য করে তুলেছে।

দুই-ফোটন শোষণ গণনার জন্য কোড উদাহরণ

আমাদের সূত্র ব্যবহার করে দুই-ফোটন শোষণ সহগ গণনা করার জন্য বিভিন্ন প্রোগ্রামিং ভাষায় উদাহরণ এখানে রয়েছে:

def calculate_tpa_coefficient(wavelength, intensity, pulse_duration, k=1.5):
    """
    দুই-ফোটন শোষণ সহগ গণনা করুন।
    
    প্যারামিটার:
    wavelength (float