이중 광자 흡수 계수 계산기

파장, 강도 및 펄스 지속 시간 매개변수를 입력하여 이중 광자 흡수 계수를 계산합니다. 비선형 광학 연구 및 응용에 필수적입니다.

이중 광자 흡수 계산기

이 계산기는 입사광의 파장, 강도 및 펄스 지속 시간을 기반으로 이중 광자 흡수 계수를 결정하는 데 도움을 줍니다. 아래에 필요한 매개변수를 입력하여 결과를 얻으세요.

사용된 공식

β = K × (I × τ) / λ²

여기서:

β = 이중 광자 흡수 계수 (cm/GW)
K = 상수 (1.5)
I = 강도 (W/cm²)
τ = 펄스 지속 시간 (fs)
λ = 파장 (nm)

파장

입사광의 파장 (400-1200 nm가 일반적입니다)

강도

W/cm²

입사광의 강도 (일반적으로 10¹⁰에서 10¹⁴ W/cm²)

펄스 지속 시간

빛 펄스의 지속 시간 (일반적으로 10-1000 fs)

결과

결과를 계산하기 위해 유효한 매개변수를 입력하세요

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두 광자 흡수 계산기 - 비선형 광학을 위한 무료 온라인 도구

두 광자 흡수란 무엇이며 어떻게 계산하나요?

**두 광자 흡수 (TPA)**는 분자가 두 개의 광자를 동시에 흡수하여 더 높은 에너지 상태에 도달하는 비선형 광학 과정입니다. 단일 광자 흡수와 달리, 두 광자 흡수는 광 강도에 대해 제곱적으로 의존하여, 현미경 및 광역학 치료와 같은 고급 응용 분야에서 정밀한 공간 제어를 가능하게 합니다.

우리의 두 광자 흡수 계산기는 파장, 강도 및 펄스 지속 시간이라는 세 가지 주요 매개변수를 사용하여 **두 광자 흡수 계수 (β)**를 즉시 계산합니다. 이 무료 온라인 도구는 연구자, 학생 및 전문가가 비선형 광학 연구 및 응용을 위한 중요한 값을 신속하게 결정하는 데 도움을 줍니다.

이 비선형 광학 현상은 1931년 마리아 괴퍼트-마이어에 의해 처음 예측되었으나, 1960년대 레이저의 발명까지 실험적으로 관찰되지 않았습니다. 오늘날 두 광자 흡수는 현미경, 광역학 치료, 광 데이터 저장 및 마이크로 제작을 포함한 수많은 고급 응용 분야의 기초가 됩니다.

두 광자 흡수 계수 (β)는 물질이 두 개의 광자를 동시에 흡수할 수 있는 경향을 정량화합니다. 이 계산기는 입사광의 파장, 광 강도 및 펄스 지속 시간을 기반으로 β를 추정하기 위해 단순화된 모델을 사용하여 연구자, 학생 및 전문가에게 이 중요한 매개변수를 계산하는 빠른 방법을 제공합니다.

두 광자 흡수 계수 공식 및 계산

두 광자 흡수 계수 (β)는 다음의 단순화된 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다:

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

여기서:

$\beta$ = 두 광자 흡수 계수 (cm/GW)
$K$ = 상수 (우리의 단순화된 모델에서 1.5)
$I$ = 입사광의 강도 (W/cm²)
$\tau$ = 펄스 지속 시간 (펨토초, fs)
$\lambda$ = 입사광의 파장 (나노미터, nm)

이 공식은 두 광자 흡수의 본질적인 물리를 포착하는 단순화된 모델을 나타냅니다. 실제로 두 광자 흡수 계수는 물질의 특성과 관련된 특정 전자 전이에 따라 달라집니다. 그러나 이 근사는 많은 실용적인 응용을 위한 좋은 출발점을 제공합니다.

변수 이해하기

파장 (λ): 나노미터 (nm)로 측정되며, 이는 입사광의 파장입니다. TPA는 일반적으로 400-1200 nm 사이의 파장에서 발생하며, 긴 파장에서 효율성이 감소합니다. 계수는 파장에 대해 역제곱적으로 의존합니다.
강도 (I): W/cm²로 측정되며, 이는 입사광의 단위 면적당 전력을 나타냅니다. TPA는 일반적으로 10¹⁰에서 10¹⁴ W/cm² 범위의 높은 강도를 요구합니다. 계수는 강도에 대해 선형적으로 스케일링됩니다.
펄스 지속 시간 (τ): 펨토초 (fs)로 측정되며, 이는 광 펄스의 지속 시간입니다. 일반적인 값은 10에서 1000 fs 사이입니다. 계수는 펄스 지속 시간에 대해 선형적으로 스케일링됩니다.
상수 (K): 이 무차원 상수 (우리 모델에서 1.5)는 다양한 물질 특성과 단위 변환을 고려합니다. 더 자세한 모델에서는 물질 특유의 매개변수로 대체됩니다.

두 광자 흡수 계산기 사용 방법

우리의 두 광자 흡수 계산기는 다음 단계를 따라 두 광자 흡수 계수를 쉽게 결정할 수 있습니다:

파장 입력: 나노미터 (nm)로 입사광의 파장을 입력합니다. 일반적인 값은 400에서 1200 nm 사이입니다.
강도 입력: W/cm²로 광원 강도를 입력합니다. 과학적 표기법을 사용할 수 있습니다 (예: 1e12는 10¹²).
펄스 지속 시간 입력: 펨토초 (fs)로 펄스 지속 시간을 입력합니다.
결과 보기: 계산기는 즉시 cm/GW로 두 광자 흡수 계수를 표시합니다.
결과 복사: "결과 복사" 버튼을 사용하여 계산된 값을 클립보드에 복사합니다.

계산기는 또한 다음을 제공합니다:

동적 시각화를 통한 시각적 피드백
일반적인 범위를 벗어난 값에 대한 경고 메시지
결과가 어떻게 도출되었는지 설명하는 계산 세부정보

입력 유효성 검사 및 제약 조건

계산기는 정확한 결과를 보장하기 위해 여러 유효성 검사 체크를 수행합니다:

모든 입력은 양수여야 합니다.
일반적인 범위를 벗어난 값에 대해 경고가 표시됩니다:
- 파장: 400-1200 nm
- 강도: 10¹⁰에서 10¹⁴ W/cm²
- 펄스 지속 시간: 10-1000 fs

계산기는 이러한 범위를 벗어난 값에 대해서도 결과를 계산하지만, 단순화된 모델의 정확성이 감소할 수 있습니다.

계산 방법

계산기는 위에서 언급한 공식을 사용하여 두 광자 흡수 계수를 계산합니다. 다음은 계산 과정의 단계별 분석입니다:

모든 입력 매개변수가 양수인지 확인합니다.
강도를 W/cm²에서 GW/cm²로 변환합니다 (10⁹로 나누기).
공식을 적용합니다: β = K × (I × τ) / λ²
결과를 cm/GW로 표시합니다.

예를 들어, 파장 = 800 nm, 강도 = 10¹² W/cm², 펄스 지속 시간 = 100 fs인 경우:

강도 변환: 10¹² W/cm² ÷ 10⁹ = 10³ GW/cm²
계산: β = 1.5 × (10³ × 100) ÷ (800)² = 1.5 × 10⁵ ÷ 640,000 = 0.234375 cm/GW

연구 및 산업에서의 두 광자 흡수 응용

두 광자 흡수는 다양한 과학 및 기술 분야에서 수많은 응용이 있습니다:

1. 두 광자 현미경

두 광자 현미경은 TPA를 활용하여 생물학적 샘플의 고해상도 3차원 이미징을 달성합니다. 강도에 대한 제곱적 의존성은 자연스럽게 초점을 맞춘 지점으로의 자극을 제한하여, 초점에서 벗어난 영역에서의 광탈색 및 광독성을 줄입니다.

예시: 800 nm에서 100 fs 펄스를 사용하는 Ti:Sapphire 레이저를 사용하는 연구자가 뇌 조직의 이미징 깊이를 최적화하기 위해 두 광자 흡수 계수를 계산해야 합니다. 강도 = 5×10¹² W/cm²로 계산기를 사용하면 β = 1.17 cm/GW를 신속하게 결정할 수 있습니다.

2. 광역학 치료

두 광자 자극은 가시광선보다 조직 깊이에서 더 효과적으로 침투하는 근적외선 광을 사용하여 광감작제를 정밀하게 활성화할 수 있게 합니다.

예시: 암 치료를 위한 새로운 광감작제를 개발하는 의학 연구자가 그 두 광자 흡수 특성을 특성화해야 합니다. 계산기를 사용하여 최대 치료 효과를 위해 최적의 파장과 강도를 결정할 수 있습니다.

3. 광 데이터 저장

TPA는 높은 밀도와 선택성을 가진 3차원 광 데이터 저장을 가능하게 합니다. 광선이 광감응 물질 내부에 집중되면 특정 3차원 좌표에서 데이터를 기록할 수 있습니다.

예시: 새로운 광 저장 매체를 설계하는 엔지니어가 신뢰할 수 있는 데이터 기록을 위해 필요한 최소 레이저 출력을 결정하기 위해 두 광자 흡수 계수를 계산해야 합니다. 인접한 저장 위치 간의 간섭을 피하면서 말입니다.

4. 마이크로 제작 및 3D 프린팅

두 광자 중합은 회절 한계 이하의 특징 크기를 가진 복잡한 3차원 미세 구조를 생성할 수 있게 합니다.

예시: 3D 마이크로 제작을 위한 새로운 광중합체를 개발하는 재료 과학자가 원하는 중합 효율성과 공간 해상도를 달성하기 위해 최적의 레이저 매개변수(파장, 강도, 펄스 지속 시간)를 결정하기 위해 계산기를 사용합니다.

5. 광 제한

높은 두 광자 흡수 계수를 가진 물질은 고강도 레이저 펄스로부터 민감한 광학 구성 요소를 보호하기 위한 광 제한기로 사용될 수 있습니다.

예시: 조종사를 위한 보호 안경을 설계하는 방위 계약자가 레이저 위협에 대한 최적의 보호를 제공하면서 정상 조건에서 좋은 가시성을 유지하는 다양한 물질의 두 광자 흡수 계수를 계산해야 합니다.

두 광자 흡수의 대안

두 광자 흡수가 많은 응용에 강력하지만, 특정 시나리오에서는 대체 비선형 광학 과정이 더 적합할 수 있습니다:

세 광자 흡수: 더 큰 공간 제한과 깊은 침투를 제공하지만 더 높은 강도가 필요합니다.
2차 고조파 생성 (SHG): 동일한 주파수의 두 광자를 두 배의 주파수를 가진 단일 광자로 변환하여 주파수 변환 및 콜라겐 및 기타 비중심 대칭 구조 이미징에 유용합니다.
유도 라만 산란 (SRS): 진동 모드를 기반으로 한 라벨 없는 화학적 대비를 제공하여 지질 및 기타 생체 분자의 이미징에 유용합니다.
단일 광자 공초점 현미경: 두 광자 현미경보다 간단하고 저렴하지만 깊이 침투가 적고 광탈색이 더 많습니다.
광학 단층 촬영 (OCT): 높은 깊이 침투로 구조 이미징을 제공하지만 두 광자 현미경보다 해상도가 낮습니다.

두 광자 흡수의 역사

두 광자 흡수의 이론적 기초는 1931년 마리아 괴퍼트-마이어가 그녀의 박사 논문에서 제시하였으며, 여기서 그녀는 원자나 분자가 단일 양자 사건에서 두 개의 광자를 동시에 흡수할 수 있다고 예측했습니다. 이 획기적인 작업으로 그녀는 1963년 물리학 노벨상을 수상했습니다.

그러나 두 광자 흡수의 실험적 검증은 1960년 레이저의 발명까지 기다려야 했습니다. 레이저는 이 비선형 광학 현상을 관찰하는 데 필요한 높은 강도를 제공했습니다. 1961년, 벨 연구소의 카이저와 개렛은 유로퓸 도핑된 결정에서 두 광자 흡수의 첫 실험적 관찰을 보고했습니다.

1980년대와 1990년대의 초단 펄스 레이저 개발, 특히 Ti:Sapphire 레이저는 두 광자 자극에 이상적인 높은 피크 강도와 파장 조정 가능성을 제공하여 이 분야에 혁신을 가져왔습니다. 이는 1990년 코넬 대학교의 윈프리드 덱, 제임스 스트리클러, 와트 웹에 의해 두 광자 현미경의 발명으로 이어졌으며, 이후 생물학적 이미징에서 필수 도구가 되었습니다.

최근 수십 년 동안 연구는 향상된 두 광자 흡수 단면적을 가진 물질 개발, TPA를 지배하는 구조-특성 관계 이해, 생물 의학에서 정보 기술에 이르는 분야에서 두 광자 과정의 응용 확대에 초점을 맞추었습니다.

두 광자 흡수 계수의 측정 및 계산은 복잡한 실험 설정에서 더 접근 가능한 계산 방법 및 우리의 계산기에서 사용되는 단순화된 모델로 발전하여 이 중요한 매개변수를 다양한 분야의 연구자들이 더 쉽게 접근할 수 있도록 만들었습니다.

두 광자 흡수를 계산하기 위한 코드 예제

다음은 다양한 프로그래밍 언어에서 우리의 공식을 사용하여 두 광자 흡수 계수를 계산하는 예제입니다:

1def calculate_tpa_coefficient(wavelength, intensity, pulse_duration, k=1.5):
2    """
3    두 광자 흡수 계수를 계산합니다.
4    
5    매개변수:
6    wavelength (float): 나노미터 단위의 파장
7    intensity (float): W/cm² 단위의 강도
8    pulse_duration (float): 펨토초 단위의 펄스 지속 시간
9    k (float): 상수 (기본값: 1.5)
10    
11    반환값:
12    float: cm/GW 단위의 두 광자 흡수 계수
13    """
14    # 강도를 W/cm²에서 GW/cm²로 변환
15    intensity_gw = intensity / 1e9
16    
17    # 두 광자 흡수 계수 계산
18    beta = k * (intensity_gw * pulse_duration) / (wavelength ** 2)
19    
20    return beta
21
22# 예제 사용
23wavelength = 800  # nm
24intensity = 1e12  # W/cm²
25pulse_duration = 100  # fs
26
27beta = calculate_tpa_coefficient(wavelength, intensity, pulse_duration)
28print(f"두 광자 흡수 계수: {beta:.6f} cm/GW")
29

1function calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration, k = 1.5) {
2  // 강도를 W/cm²에서 GW/cm²로 변환
3  const intensityGw = intensity / 1e9;
4  
5  // 두 광자 흡수 계수 계산
6  const beta = k * (intensityGw * pulseDuration) / Math.pow(wavelength, 2);
7  
8  return beta;
9}
10
11// 예제 사용
12const wavelength = 800;  // nm
13const intensity = 1e12;  // W/cm²
14const pulseDuration = 100;  // fs
15
16const beta = calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration);
17console.log(`두 광자 흡수 계수: ${beta.toFixed(6)} cm/GW`);
18

1public class TwoPhotonAbsorptionCalculator {
2    public static double calculateTpaCoefficient(double wavelength, double intensity, 
3                                                double pulseDuration, double k) {
4        // 강도를 W/cm²에서 GW/cm²로 변환
5        double intensityGw = intensity / 1e9;
6        
7        // 두 광자 흡수 계수 계산
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;  // 상수
18        
19        double beta = calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration, k);
20        System.out.printf("두 광자 흡수 계수: %.6f cm/GW%n", beta);
21    }
22}
23

1function beta = calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration, k)
2    % 두 광자 흡수 계수를 계산합니다.
3    %
4    % 매개변수:
5    % wavelength - 나노미터 단위의 파장
6    % intensity - W/cm² 단위의 강도
7    % pulseDuration - 펨토초 단위의 펄스 지속 시간
8    % k - 상수 (기본값 1.5)
9    %
10    % 반환값:
11    % beta - cm/GW 단위의 두 광자 흡수 계수
12    
13    if nargin < 4
14        k = 1.5;
15    end
16    
17    % 강도를 W/cm²에서 GW/cm²로 변환
18    intensityGw = intensity / 1e9;
19    
20    % 두 광자 흡수 계수 계산
21    beta = k * (intensityGw * pulseDuration) / (wavelength ^ 2);
22end
23
24% 예제 사용
25wavelength = 800;  % nm
26intensity = 1e12;  % W/cm²
27pulseDuration = 100;  % fs
28
29beta = calculateTpaCoefficient(wavelength, intensity, pulseDuration);
30fprintf('두 광자 흡수 계수: %.6f cm/GW\n', beta);
31

' 두 광자 흡수 계수에 대한 Excel 공식
' 가정:
' 셀 A1에는 파장 (nm)이 포함되어 있습니다.
' 셀 B1에는 강도 (W/cm²)가 포함되어 있습니다.
' 셀 C1에는 펄스 지속 시간 (fs)이 포함되어 있습니다

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두 광자 흡수 계산기 사용 방법

입력 유효성 검사 및 제약 조건

계산 방법

연구 및 산업에서의 두 광자 흡수 응용

1. 두 광자 현미경

2. 광역학 치료

3. 광 데이터 저장

4. 마이크로 제작 및 3D 프린팅

5. 광 제한

두 광자 흡수의 대안

두 광자 흡수의 역사

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