दोन-फोटॉन शोषण कॅल्क्युलेटर - नॉनलाइनर ऑप्टिक्ससाठी मोफत ऑनलाइन साधन

दोन-फोटॉन शोषण म्हणजे काय आणि ते कसे गणना करावे?

दोन-फोटॉन शोषण (TPA) हा एक नॉनलाइनर ऑप्टिकल प्रक्रिया आहे जिथे एक अणू एकाच वेळी दोन फोटॉन शोषून उच्च ऊर्जा स्थिती गाठतो. एकल-फोटॉन शोषणाच्या तुलनेत, दोन-फोटॉन शोषण प्रकाशाच्या तीव्रतेवर चौरस प्रमाणात अवलंबून असतो, ज्यामुळे मायक्रोस्कोपी आणि फोटोडायनॅमिक थेरपी सारख्या प्रगत अनुप्रयोगांमध्ये अचूक स्थानिक नियंत्रण सक्षम होते.

आमचा दोन-फोटॉन शोषण कॅल्क्युलेटर तात्काळ दोन-फोटॉन शोषण गुणांक (β) तीन मुख्य पॅरामिटर्सचा वापर करून गणना करतो: तरंगदैर्ध्य, तीव्रता, आणि पल्स कालावधी. हे मोफत ऑनलाइन साधन संशोधक, विद्यार्थी, आणि व्यावसायिकांना त्यांच्या नॉनलाइनर ऑप्टिक्स संशोधन आणि अनुप्रयोगांसाठी महत्त्वाच्या मूल्यांची जलद गणना करण्यात मदत करते.

हा नॉनलाइनर ऑप्टिकल फेनोमेन १९३१ मध्ये मारिया गोपर्ट-मायेरने प्रथम भाकीत केला, परंतु १९६० च्या दशकात लेझरच्या शोधापर्यंत प्रयोगात्मकपणे पाहिला गेला नाही. आज, दोन-फोटॉन शोषण मायक्रोस्कोपी, फोटोडायनॅमिक थेरपी, ऑप्टिकल डेटा स्टोरेज, आणि मायक्रोफॅब्रिकेशन यासारख्या अनेक प्रगत अनुप्रयोगांसाठी मूलभूत आहे.

दोन-फोटॉन शोषण गुणांक (β) एका सामग्रीच्या दोन फोटॉन एकाच वेळी शोषण्याच्या प्रवृत्तीचे प्रमाणित करते. हा कॅल्क्युलेटर येणाऱ्या प्रकाशाच्या तरंगदैर्ध्यावर, प्रकाशाच्या तीव्रतेवर, आणि पल्स कालावधीवर आधारित β चा अंदाज लावण्यासाठी एक साधा मॉडेल वापरतो—संशोधक, विद्यार्थी, आणि व्यावसायिकांना या महत्त्वाच्या पॅरामिटरची गणना करण्यासाठी जलद मार्ग प्रदान करतो.

दोन-फोटॉन शोषण गुणांक सूत्र आणि गणना

दोन-फोटॉन शोषण गुणांक (β) खालील साध्या सूत्राचा वापर करून गणना केली जाऊ शकते:

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

जिथे:

• $\beta$ = दोन-फोटॉन शोषण गुणांक (cm/GW)
• $K$ = स्थिरांक (आमच्या साध्या मॉडेलमध्ये 1.5)
• $I$ = येणाऱ्या प्रकाशाची तीव्रता (W/cm²)
• $\tau$ = पल्स कालावधी (फेम्टोसेकंद, fs)
• $\lambda$ = येणाऱ्या प्रकाशाचे तरंगदैर्ध्य (नॅनोमीटर, nm)

हे सूत्र दोन-फोटॉन शोषणाच्या मूलभूत भौतिकशास्त्राचे प्रतिनिधित्व करणारे एक साधे मॉडेल दर्शवते. वास्तवात, दोन-फोटॉन शोषण गुणांक सामग्रीच्या गुणधर्मांवर आणि संबंधित विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक संक्रमणांवर देखील अवलंबून असतो. तथापि, हा अंदाज अनेक व्यावहारिक अनुप्रयोगांसाठी चांगला प्रारंभ बिंदू प्रदान करतो.

चल समजून घेणे

1. तरंगदैर्ध्य (λ): नॅनोमीटर (nm) मध्ये मोजले जाते, हे येणाऱ्या प्रकाशाचे तरंगदैर्ध्य आहे. TPA सामान्यतः 400-1200 nm दरम्यानच्या तरंगदैर्ध्यावर होते, ज्यामध्ये दीर्घ तरंगदैर्ध्यावर कार्यक्षमता कमी होते. गुणांक तरंगदैर्ध्यावर उलट चौरस अवलंबून असतो.

2. तीव्रता (I): W/cm² मध्ये मोजले जाते, हे येणाऱ्या प्रकाशाच्या युनिट क्षेत्रावरच्या शक्तीचे प्रतिनिधित्व करते. TPA उच्च तीव्रतेची आवश्यकता असते, सामान्यतः 10¹⁰ ते 10¹⁴ W/cm² च्या श्रेणीत. गुणांक तीव्रतेसह रेषीय प्रमाणात वाढतो.

3. पल्स कालावधी (τ): फेम्टोसेकंद (fs) मध्ये मोजले जाते, हे प्रकाशाच्या पल्सचा कालावधी आहे. सामान्य मूल्ये 10 ते 1000 fs दरम्यान असतात. गुणांक पल्स कालावधीसह रेषीय प्रमाणात वाढतो.

4. स्थिरांक (K): हा आयामहीन स्थिरांक (आमच्या मॉडेलमध्ये 1.5) विविध सामग्रीच्या गुणधर्मांवर आणि युनिट रूपांतरणांवर विचार करतो. अधिक तपशीलवार मॉडेलमध्ये, हे सामग्री-विशिष्ट पॅरामिटर्सने बदलले जाईल.

दोन-फोटॉन शोषण कॅल्क्युलेटर कसा वापरावा

आमचा दोन-फोटॉन शोषण कॅल्क्युलेटर दोन-फोटॉन शोषण गुणांक निश्चित करणे सोपे करते, या चरणांचे पालन करून:

1. तरंगदैर्ध्य प्रविष्ट करा: आपल्या येणाऱ्या प्रकाशाचे तरंगदैर्ध्य नॅनोमीटर (nm) मध्ये प्रविष्ट करा. सामान्य मूल्ये 400 ते 1200 nm दरम्यान असतात.

2. तीव्रता प्रविष्ट करा: आपल्या प्रकाश स्रोताची तीव्रता W/cm² मध्ये प्रविष्ट करा. आपण वैज्ञानिक नोटेशन वापरू शकता (उदा., 1e12 साठी 10¹²).

3. पल्स कालावधी प्रविष्ट करा: पल्स कालावधी फेम्टोसेकंद (fs) मध्ये प्रविष्ट करा.

4. परिणाम पहा: कॅल्क्युलेटर तात्काळ cm/GW मध्ये दोन-फोटॉन शोषण गुणांक दर्शवेल.

5. परिणाम कॉपी करा: गणना केलेले मूल्य आपल्या क्लिपबोर्डवर कॉपी करण्यासाठी "कॉपी परिणाम" बटण वापरा.

कॅल्क्युलेटर देखील प्रदान करतो:

• डायनॅमिक व्हिज्युअलायझेशनद्वारे दृश्य फीडबॅक
• सामान्य श्रेणीतून बाहेर असलेल्या मूल्यांसाठी चेतावणी संदेश
• परिणाम कसा मिळवला गेला याचे स्पष्टीकरण करणारे गणना तपशील

इनपुट वैधता आणि निर्बंध

कॅल्क्युलेटर अचूक परिणाम सुनिश्चित करण्यासाठी अनेक वैधता तपासणी करतो:

• सर्व इनपुट सकारात्मक संख्या असाव्यात
• सामान्य श्रेणीतून बाहेर असलेल्या मूल्यांसाठी चेतावणी दर्शविली जाते:
  • तरंगदैर्ध्य: 400-1200 nm
  • तीव्रता: 10¹⁰ ते 10¹⁴ W/cm²
  • पल्स कालावधी: 10-1000 fs

कॅल्क्युलेटर या श्रेणीतून बाहेर असलेल्या मूल्यांसाठी परिणाम गणना करेल, परंतु साध्या मॉडेलची अचूकता कमी होऊ शकते.

गणना पद्धत

कॅल्क्युलेटर दोन-फोटॉन शोषण गुणांक गणना करण्यासाठी वरील सूत्राचा वापर करतो. गणना प्रक्रियेचा टप्प्याटप्प्याने तपशील:

1. सर्व इनपुट पॅरामिटर्सची वैधता तपासा जेणेकरून ते सकारात्मक संख्या असाव्यात
2. W/cm² मधून GW/cm² मध्ये तीव्रता रूपांतरित करा 10⁹ ने विभाजित करून
3. सूत्र लागू करा: β = K × (I × τ) / λ²
4. परिणाम cm/GW मध्ये दर्शवा

उदाहरणार्थ, तरंगदैर्ध्य = 800 nm, तीव्रता = 10¹² W/cm², आणि पल्स कालावधी = 100 fs सह:

• तीव्रता रूपांतरित करा: 10¹² W/cm² ÷ 10⁹ = 10³ GW/cm²
• गणना करा: β = 1.5 × (10³ × 100) ÷ (800)² = 1.5 × 10⁵ ÷ 640,000 = 0.234375 cm/GW

संशोधन आणि उद्योगातील दोन-फोटॉन शोषणाचे अनुप्रयोग

दोन-फोटॉन शोषणाचे विविध वैज्ञानिक आणि तांत्रिक क्षेत्रांमध्ये अनेक अनुप्रयोग आहेत:

1. दोन-फोटॉन मायक्रोस्कोपी

दोन-फोटॉन मायक्रोस्कोपी TPA चा वापर करून जैविक नमुन्यांचे उच्च-रिझोल्यूशन, त्रिमितीय इमेजिंग साधते. तीव्रतेवर चौरस अवलंबन नैसर्गिकरित्या उत्तेजना फोकल पॉइंटपर्यंत मर्यादित करते, ज्यामुळे फोकल पॉइंटच्या बाहेरील क्षेत्रांमध्ये फोटोब्लिचिंग आणि फोटोटॉक्सिसिटी कमी होते.

उदाहरण: 800 nm वर 100 fs पल्ससह Ti:Sapphire लेझर वापरणारा संशोधक मस्तिष्काच्या ऊतींमध्ये इमेजिंग खोली ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी दोन-फोटॉन शोषण गुणांक गणना करण्याची आवश्यकता आहे. तीव्रता = 5×10¹² W/cm² सह आमच्या कॅल्क्युलेटरचा वापर करून, ते जलद β = 1.17 cm/GW निश्चित करू शकतात.

2. फोटोडायनॅमिक थेरपी

दोन-फोटॉन उत्तेजना फोटोसेंसिटायझर्सच्या अचूक सक्रियतेसाठी जवळच्या इन्फ्रारेड प्रकाशाचा वापर करते, जो दृश्यमान प्रकाशापेक्षा ऊतींमध्ये अधिक प्रभावीपणे प्रवेश करतो.

उदाहरण: कर्करोगाच्या उपचारासाठी नवीन फोटोसेंसिटायझर विकसित करणारा वैद्यकीय संशोधक त्याच्या दोन-फोटॉन शोषण गुणधर्मांचे वर्णन करण्याची आवश्यकता आहे. आमच्या कॅल्क्युलेटरचा वापर करून, ते अधिकतम उपचारात्मक प्रभावासाठी आणि आसपासच्या आरोग्यदायी ऊतींवर कमी नुकसान करण्यासाठी योग्य तरंगदैर्ध्य आणि तीव्रता निश्चित करू शकतात.

3. ऑप्टिकल डेटा स्टोरेज

TPA उच्च घनता आणि निवडकतेसह त्रिमितीय ऑप्टिकल डेटा स्टोरेज सक्षम करते. फोटोसेंसिटिव्ह सामग्रीमध्ये लेझर किरण केंद्रित करून, डेटा विशिष्ट त्रिमितीय समन्वयांवर लिहिला जाऊ शकतो.

उदाहरण: नवीन ऑप्टिकल स्टोरेज माध्यमाची रचना करणारा अभियंता विश्वसनीय डेटा लेखनासाठी आवश्यक किमान लेझर शक्ती निश्चित करण्यासाठी दोन-फोटॉन शोषण गुणांक गणना करण्याची आवश्यकता आहे, तर शेजारील स्टोरेज स्थानांमध्ये क्रॉस्टॉक टाळण्यासाठी.

4. मायक्रोफॅब्रिकेशन आणि 3D प्रिंटिंग

दोन-फोटॉन पॉलिमरायझेशन जटिल त्रिमितीय मायक्रोस्ट्रक्चर्स तयार करण्यास अनुमती देते ज्यामध्ये वैशिष्ट्यांचे आकार विवर्तन मर्यादेपेक्षा कमी असतात.

उदाहरण: 3D मायक्रोफॅब्रिकेशनसाठी नवीन फोटोपॉलिमर विकसित करणारा सामग्री शास्त्रज्ञ आमच्या कॅल्क्युलेटरचा वापर करून इच्छित पॉलिमरायझेशन कार्यक्षमता आणि स्थानिक रिझोल्यूशन साधण्यासाठी योग्य लेझर पॅरामिटर्स (तरंगदैर्ध्य, तीव्रता, पल्स कालावधी) निश्चित करतो.

5. ऑप्टिकल लिमिटिंग

उच्च दोन-फोटॉन शोषण गुणांक असलेल्या सामग्रीचा वापर संवेदनशील ऑप्टिकल घटकांना उच्च-तीव्रतेच्या लेझर पल्सपासून संरक्षण करण्यासाठी ऑप्टिकल लिमिटर्स म्हणून केला जाऊ शकतो.

उदाहरण: पायलटसाठी संरक्षणात्मक चष्मा डिझाइन करणारा संरक्षण ठेकेदार विविध सामग्रींचा दोन-फोटॉन शोषण गुणांक गणना करण्याची आवश्यकता आहे जे लेझर धोक्यांपासून सर्वोत्तम संरक्षण प्रदान करतात आणि सामान्य परिस्थितीत चांगली दृश्यता राखतात.

दोन-फोटॉन शोषणाचे पर्याय

दोन-फोटॉन शोषण अनेक अनुप्रयोगांसाठी शक्तिशाली असले तरी, काही परिस्थितींमध्ये पर्यायी नॉनलाइनर ऑप्टिकल प्रक्रिया अधिक योग्य असू शकतात:

1. तीन-फोटॉन शोषण: अधिक स्थानिक संकुचन आणि खोल प्रवेश प्रदान करते, परंतु उच्च तीव्रतेची आवश्यकता असते.

2. द्वितीय हार्मोनिक जनरेशन (SHG): समान वारंवारतेच्या दोन फोटॉनना दोनपट वारंवारतेच्या एका फोटॉनमध्ये रूपांतरित करते, वारंवारता रूपांतरण आणि कोलेजन आणि इतर नॉन-सेंट्रोसिमेट्रिक संरचनांचे इमेजिंगसाठी उपयुक्त आहे.

3. उत्तेजित रामन स्कॅटरिंग (SRS): कंपन मोडवर आधारित लेबल-मुक्त रासायनिक विरोधाभास प्रदान करते, लिपिड आणि इतर बायोमोलेक्यूल्सचे इमेजिंगसाठी उपयुक्त आहे.

4. सिंगल-फोटॉन कॉन्फोकल मायक्रोस्कोपी: दोन-फोटॉन मायक्रोस्कोपीपेक्षा सोपी आणि कमी महाग आहे, परंतु कमी खोलीत प्रवेश आणि अधिक फोटोब्लिचिंग आहे.

5. ऑप्टिकल कोहेरन्स टोमोग्राफी (OCT): उच्च खोलीत प्रवेशासह संरचनात्मक इमेजिंग प्रदान करते, परंतु दोन-फोटॉन मायक्रोस्कोपीपेक्षा कमी रिझोल्यूशन आहे.

दोन-फोटॉन शोषणाचा इतिहास

दोन-फोटॉन शोषणाची सैद्धांतिक पायाभूत रचना १९३१ मध्ये मारिया गोपर्ट-मायेरने तिच्या डॉक्टरेटच्या प्रबंधात केली, जिथे तिने भाकीत केले की एक अणू किंवा अणू एकाच क्वांटम इव्हेंटमध्ये दोन फोटॉन एकाच वेळी शोषू शकतो. या क्रांतिकारी कामासाठी, तिला १९६३ मध्ये भौतिकीमध्ये नोबेल पारितोषिक मिळाले.

तथापि, दोन-फोटॉन शोषणाची प्रयोगात्मक पुष्टी १९६० मध्ये लेझरच्या शोधापर्यंत थांबली, ज्याने या नॉनलाइनर ऑप्टिकल फेनोमेनन पाहण्यासाठी आवश्यक उच्च तीव्रता प्रदान केली. १९६१ मध्ये, बेल लॅब्समधील काइसर आणि गॅरेटने युरोपियम-डोप्ड क्रिस्टलमध्ये दोन-फोटॉन शोषणाचे पहिले प्रयोगात्मक निरीक्षण केले.

१९८० आणि १९९० च्या दशकात अल्ट्राशॉर्ट पल्स लेझरच्या विकासाने, विशेषतः Ti:Sapphire लेझरने, या क्षेत्रात क्रांती केली, ज्याने दोन-फोटॉन उत्तेजनासाठी आदर्श उच्च पीक तीव्रता आणि तरंगदैर्ध्य ट्यूनॅबिलिटी प्रदान केली. यामुळे १९९० मध्ये कॉर्नेल विद्यापीठात विनफ्रीड डेंक, जेम्स स्ट्रिक्लर, आणि वॉट वेबने दोन-फोटॉन मायक्रोस्कोपीचा शोध लावला, जो आता जैविक इमेजिंगमध्ये एक अनिवार्य साधन बनला आहे.

अलीकडील दशकांमध्ये, संशोधनाने वाढीव दोन-फोटॉन शोषण क्रॉस-सेक्शनसह सामग्री विकसित करण्यावर, TPA नियंत्रित करणाऱ्या संरचना-गुणधर्म संबंधांचे समजून घेण्यावर, आणि बायोमेडिसिनपासून माहिती तंत्रज्ञानापर्यंतच्या क्षेत्रांमध्ये दोन-फोटॉन प्रक्रियांचे अनुप्रयोग विस्तारित करण्यावर लक्ष केंद्रित केले आहे.

दोन-फोटॉन शोषण गुणांकाची मोजणी आणि गणना जटिल प्रयोगात्मक सेटअपपासून अधिक प्रवेशयोग्य संगणकीय पद्धती आणि आमच्या कॅल्क्युलेटरमध्ये वापरलेल्या साध्या मॉडेलपर्यंत विकसित झाली आहे, ज्यामुळे हा महत्त्वाचा पॅरामिटर विविध शास्त्रज्ञांसाठी अधिक प्रवेशयोग्य झाला आहे.

दोन-फोटॉन शोषण गणना करण्यासाठी कोड उदाहरणे

आमच्या सूत्राचा वापर करून दोन-फोटॉन शोषण गुणांक गणना करण्यासाठी विविध प्रोग्रामिंग भाषांमध्ये उदाहरणे येथे आहेत:

def calculate_tpa_coefficient(wavelength, intensity, pulse_duration, k=1.5):
    """
    दोन-फोटॉन शोषण गुणांक गणना करा.
    
    पॅरामिटर्स:
    wavelength (float): नॅनोमीटरमध्ये तरंगदैर्ध्य
    intensity (float): W/cm² मध्ये तीव्रता
    pulse_duration