Divu-fotonu absorbcijas kalkulators - Bezmaksas tiešsaistes rīks nelineārajai optikai

Kas ir divu-fotonu absorbcija un kā to aprēķināt?

Divu-fotonu absorbcija (TPA) ir nelineārs optisks process, kurā molekula vienlaicīgi absorbē divus fotonus, lai sasniegtu augstāku enerģijas stāvokli. Atšķirībā no vienfotonu absorbcijas, divu-fotonu absorbcija kvadrātiski atkarīga no gaismas intensitātes, ļaujot precīzi kontrolēt telpisko izkliedi progresīvās lietojumprogrammās, piemēram, mikroskopijā un fotodinamiskajā terapijā.

Mūsu Divu-fotonu absorbcijas kalkulators nekavējoties aprēķina divu-fotonu absorbcijas koeficientu (β), izmantojot trīs galvenos parametrus: viļņa garumu, intensitāti un impulsu ilgumu. Šis bezmaksas tiešsaistes rīks palīdz pētniekiem, studentiem un profesionāļiem ātri noteikt kritiskās vērtības viņu nelineārās optikas pētījumos un lietojumos.

Šis nelineārais optiskais fenomens pirmo reizi tika prognozēts Marijas Göppert-Mayer 1931. gadā, taču eksperimentāli to novēroja tikai pēc lāzeru izgudrošanas 1960. gados. Mūsdienās divu-fotonu absorbcija ir pamatprincipā daudzām progresīvām lietojumprogrammām, tostarp mikroskopijai, fotodinamiskajai terapijai, optiskajai datu glabāšanai un mikroizgatavošanai.

Divu-fotonu absorbcijas koeficients (β) kvantificē materiāla tendenci absorbēt divus fotonus vienlaicīgi. Šis kalkulators izmanto vienkāršotu modeli, lai novērtētu β, pamatojoties uz incidentās gaismas viļņa garumu, gaismas intensitāti un impulsu ilgumu, nodrošinot pētniekiem, studentiem un profesionāļiem ātru veidu, kā aprēķināt šo svarīgo parametru.

Divu-fotonu absorbcijas koeficienta formula un aprēķins

Divu-fotonu absorbcijas koeficients (β) var tikt aprēķināts, izmantojot sekojošo vienkāršoto formulu:

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

Kur:

• $\beta$ = Divu-fotonu absorbcijas koeficients (cm/GW)
• $K$ = Konstante (1.5 mūsu vienkāršotajā modelī)
• $I$ = Incidentās gaismas intensitāte (W/cm²)
• $\tau$ = Impulsu ilgums (femtosekundes, fs)
• $\lambda$ = Incidentās gaismas viļņa garums (nanometri, nm)

Šī formula attēlo vienkāršotu modeli, kas atspoguļo divu-fotonu absorbcijas būtisko fiziku. Patiesībā divu-fotonu absorbcijas koeficients arī ir atkarīgs no materiāla īpašībām un konkrētajām elektroniskajām pārejām. Tomēr šis pieņēmums sniedz labu sākumpunktu daudzām praktiskām lietojumprogrammām.

Izpratne par mainīgajiem

1. Viļņa garums (λ): Mērīts nanometros (nm), tas ir incidentās gaismas viļņa garums. TPA parasti notiek viļņa garumos no 400 līdz 1200 nm, ar efektivitāti samazinoties garākiem viļņa garumiem. Koeficients ir apgriezti kvadrātiski atkarīgs no viļņa garuma.

2. Intensitāte (I): Mērīta W/cm², tā attēlo jaudu uz vienības platību incidentajā gaismā. TPA prasa augstas intensitātes, parasti no 10¹⁰ līdz 10¹⁴ W/cm². Koeficients ir lineāri atkarīgs no intensitātes.

3. Impulsu ilgums (τ): Mērīts femtosekundēs (fs), tas ir gaismas impulsa ilgums. Tipiskās vērtības svārstās no 10 līdz 1000 fs. Koeficients ir lineāri atkarīgs no impulsa ilguma.

4. Konstante (K): Šī bezdimensiju konstante (1.5 mūsu modelī) ņem vērā dažādas materiāla īpašības un vienību pārvērtības. Detalizētākos modeļos to aizstātu ar materiāla specifiskiem parametriem.

Kā izmantot divu-fotonu absorbcijas kalkulatoru

Mūsu Divu-fotonu absorbcijas kalkulators padara vienkāršu divu-fotonu absorbcijas koeficienta noteikšanu, sekojot šiem soļiem:

1. Ievadiet viļņa garumu: Ievadiet incidentās gaismas viļņa garumu nanometros (nm). Tipiskās vērtības svārstās no 400 līdz 1200 nm.

2. Ievadiet intensitāti: Ievadiet jūsu gaismas avota intensitāti W/cm². Jūs varat izmantot zinātnisko notāciju (piemēram, 1e12 par 10¹²).

3. Ievadiet impulsa ilgumu: Ievadiet impulsa ilgumu femtosekundēs (fs).

4. Skatiet rezultātu: Kalkulators nekavējoties parādīs divu-fotonu absorbcijas koeficientu cm/GW.

5. Kopējiet rezultātu: Izmantojiet pogu "Kopēt rezultātu", lai kopētu aprēķināto vērtību savā starpliktuvē.

Kalkulators arī nodrošina:

• Vizualizācijas atgriezenisko saiti caur dinamisku vizualizāciju
• Brīdinājuma ziņojumus par vērtībām ārpus tipiskajiem diapazoniem
• Aprēķina detaļas, kas izskaidro, kā rezultāts tika iegūts

Ievades validācija un ierobežojumi

Kalkulators veic vairākus validācijas pārbaudes, lai nodrošinātu precīzus rezultātus:

• Visām ievadēm jābūt pozitīvām skaitļiem
• Brīdinājumi tiek rādīti par vērtībām ārpus tipiskajiem diapazoniem:
  • Viļņa garums: 400-1200 nm
  • Intensitāte: 10¹⁰ līdz 10¹⁴ W/cm²
  • Impulsu ilgums: 10-1000 fs

Lai gan kalkulators joprojām aprēķinās rezultātus vērtībām ārpus šiem diapazoniem, vienkāršotā modeļa precizitāte var tikt samazināta.

Aprēķina metode

Kalkulators izmanto iepriekš minēto formulu, lai aprēķinātu divu-fotonu absorbcijas koeficientu. Šeit ir soli pa solim apraksts aprēķina procesam:

1. Validējiet visus ievades parametrus, lai nodrošinātu, ka tie ir pozitīvi skaitļi
2. Pārvērtiet intensitāti no W/cm² uz GW/cm², dalot ar 10⁹
3. Izmantojiet formulu: β = K × (I × τ) / λ²
4. Parādiet rezultātu cm/GW

Piemēram, ar viļņa garumu = 800 nm, intensitāti = 10¹² W/cm² un impulsa ilgumu = 100 fs:

• Pārvērtiet intensitāti: 10¹² W/cm² ÷ 10⁹ = 10³ GW/cm²
• Aprēķiniet: β = 1.5 × (10³ × 100) ÷ (800)² = 1.5 × 10⁵ ÷ 640000 = 0.234375 cm/GW

Divu-fotonu absorbcijas lietojumi pētniecībā un rūpniecībā

Divu-fotonu absorbcija ir daudzām lietojumprogrammām dažādās zinātniskās un tehnoloģiskās jomās:

1. Divu-fotonu mikroskopija

Divu-fotonu mikroskopija izmanto TPA, lai sasniegtu augstas izšķirtspējas, trīsdimensiju attēlveidošanu bioloģiskajos paraugos. Kvadrātiskā atkarība no intensitātes dabiski ierobežo ekscitāciju līdz fokusa punktam, samazinot fotoblikšanu un fototoksicitāti ārpus fokusa reģioniem.

Piemērs: Pētnieks, izmantojot Ti:Sapphire lāzeri pie 800 nm ar 100 fs impulsiem, nepieciešams aprēķināt divu-fotonu absorbcijas koeficientu, lai optimizētu attēlveidošanas dziļumu smadzeņu audos. Izmantojot mūsu kalkulatoru ar intensitāti = 5×10¹² W/cm², viņi var ātri noteikt β = 1.17 cm/GW.

2. Fotodinamiskā terapija

Divu-fotonu ekscitācija ļauj precīzi aktivizēt fotosensitizatorus lielākos audu dziļumos, izmantojot tuvās infrasarkanās gaismas, kas efektīvāk iekļūst audos nekā redzamā gaisma.

Piemērs: Medicīnas pētnieks, izstrādājot jaunu fotosensitizatoru vēža ārstēšanai, nepieciešams raksturot tā divu-fotonu absorbcijas īpašības. Izmantojot mūsu kalkulatoru, viņi var noteikt optimālo viļņa garumu un intensitāti maksimālai terapeitiskai iedarbībai, vienlaikus samazinot apkārtējo veselīgo audu bojājumus.

3. Optiskā datu glabāšana

TPA ļauj trīsdimensiju optisko datu glabāšanu ar augstu blīvumu un selektivitāti. Fokuss lāzera staru iekšā fotosensitīvā materiālā, dati var tikt rakstīti konkrētās trīsdimensiju koordinātēs.

Piemērs: Inženieris, projektējot jaunu optisko glabāšanas vidi, nepieciešams aprēķināt divu-fotonu absorbcijas koeficientu, lai noteiktu minimālo lāzera jaudu, kas nepieciešama uzticamai datu rakstīšanai, vienlaikus izvairoties no krustotās runas starp blakus esošajām glabāšanas vietām.

4. Mikroizgatavošana un 3D drukāšana

Divu-fotonu polimerizācija ļauj izveidot sarežģītas trīsdimensiju mikrostruktūras ar funkciju izmēriem zem difrakcijas robežas.

Piemērs: Materiālu zinātnieks, izstrādājot jaunu fotopolimēru 3D mikroizgatavošanai, izmanto mūsu kalkulatoru, lai noteiktu optimālos lāzera parametrus (viļņa garums, intensitāte, impulsa ilgums), lai sasniegtu vēlamo polimerizācijas efektivitāti un telpisko izšķirtspēju.

5. Optiskā ierobežošana

Materiāli ar augstiem divu-fotonu absorbcijas koeficientiem var tikt izmantoti kā optiskie ierobežotāji, lai aizsargātu jutīgus optiskos komponentus no augstas intensitātes lāzera impulsiem.

Piemērs: Aizsardzības kontraktors, projektējot aizsargbrilles pilotam, nepieciešams aprēķināt dažādu materiālu divu-fotonu absorbcijas koeficientu, lai identificētu tos, kas nodrošina optimālu aizsardzību pret lāzera draudiem, vienlaikus saglabājot labu redzamību normālos apstākļos.

Alternatīvas divu-fotonu absorbcijai

Lai gan divu-fotonu absorbcija ir spēcīga daudzām lietojumprogrammām, alternatīvi nelineāri optiskie procesi var būt piemērotāki noteiktos scenārijos:

1. Triju-fotonu absorbcija: Piedāvā vēl lielāku telpisko ierobežojumu un dziļāku iekļūšanu, bet prasa augstākas intensitātes.

2. Otrā harmoniskā ģenerācija (SHG): Pārvērš divus fotonus ar to pašu frekvenci vienā fotonā ar divkāršu frekvenci, noderīga frekvences konversijai un kolagēna un citu necentrosimetrisko struktūru attēlveidošanai.

3. Stimulated Raman Scattering (SRS): Nodrošina bezmarķējuma ķīmisko kontrastu, pamatojoties uz vibrācijas režīmiem, noderīga lipīdu un citu biomolekulu attēlveidošanai.

4. Vienfotonu konfokālā mikroskopija: Vienkāršāka un lētāka nekā divu-fotonu mikroskopija, bet ar mazāku dziļuma iekļūšanu un vairāk fotoblikšanas.

5. Optiskā koherences tomogrāfija (OCT): Nodrošina strukturālo attēlveidošanu ar augstu dziļuma iekļūšanu, bet ar zemāku izšķirtspēju nekā divu-fotonu mikroskopija.

Divu-fotonu absorbcijas vēsture

Teorētiskā pamata divu-fotonu absorbcijai izveidoja Marija Göppert-Mayer savā 1931. gada doktora disertācijā, kurā viņa prognozēja, ka atoms vai molekula var vienlaicīgi absorbēt divus fotonus vienā kvantu notikumā. Par šo revolucionāro darbu viņa vēlāk saņēma Nobela prēmiju fizikā 1963. gadā.

Tomēr eksperimentāla divu-fotonu absorbcijas apstiprināšana nācās gaidīt līdz lāzera izgudrošanai 1960. gadā, kas nodrošināja augstas intensitātes, kas nepieciešamas, lai novērotu šo nelineāro optisko fenomenu. 1961. gadā Kaisers un Garrets Bell Labs ziņoja par pirmo eksperimentālo novērojumu divu-fotonu absorbcijā europija piesātinātā kristālā.

Ultrshort impulsa lāzeru attīstība 1980. un 1990. gados, īpaši Ti:Sapphire lāzers, revolucionizēja jomu, nodrošinot augstas virsotnes intensitātes un viļņa garuma regulējamību, kas ir ideāli piemērota divu-fotonu ekscitācijai. Tas noveda pie divu-fotonu mikroskopijas izgudrošanas, ko veica Vinfrieds Denks, Džeims Stricklers un Vats Vebs Kornela universitātē 1990. gadā, kas kopš tā laika ir kļuvis par neaizvietojamu rīku bioloģiskajā attēlveidošanā.

Pēdējās desmitgadēs pētījumi ir koncentrējušies uz materiālu izstrādi ar uzlabotām divu-fotonu absorbcijas krustpunktu sekcijām, struktūras-īpašību attiecību izpratni, kas nosaka TPA, un divu-fotonu procesu lietojumu paplašināšanu jomās no biomedicīnas līdz informācijas tehnoloģijām.

Divu-fotonu absorbcijas koeficientu mērīšana un aprēķināšana ir attīstījusies no sarežģītām eksperimentālām uzstādēm uz pieejamākām aprēķinu metodēm un vienkāršotiem modeļiem, piemēram, to, ko izmanto mūsu kalkulatorā, padarot šo svarīgo parametru pieejamāku pētniekiem visās disciplīnās.

Koda piemēri divu-fotonu absorbcijas aprēķināšanai

Šeit ir piemēri dažādās programmēšanas valodās, lai aprēķinātu divu-fotonu absorbcijas koeficientu, izmantojot mūsu formulu:

def calculate_tpa_coefficient(wavelength, intensity, pulse_duration, k=1.5):
    """
    Aprēķināt divu-fotonu absorbcijas koeficientu.