เครื่องคำนวณการดูดซับสองโฟตอน - เครื่องมือออนไลน์ฟรีสำหรับออปติกที่ไม่เป็นเชิงเส้น

การดูดซับสองโฟตอนคืออะไรและจะคำนวณได้อย่างไร?

การดูดซับสองโฟตอน (TPA) เป็นกระบวนการทางออปติกที่ไม่เป็นเชิงเส้นที่โมเลกุลดูดซับโฟตอนสองตัวพร้อมกันเพื่อไปสู่สถานะพลังงานที่สูงขึ้น แตกต่างจากการดูดซับโฟตอนเดียว, การดูดซับสองโฟตอน ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงในลักษณะกำลังสอง ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมเชิงพื้นที่ได้อย่างแม่นยำในแอปพลิเคชันขั้นสูง เช่น การสร้างภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์และการบำบัดด้วยแสง

เครื่อง คำนวณการดูดซับสองโฟตอน ของเราจะคำนวณ สัมประสิทธิ์การดูดซับสองโฟตอน (β) ทันทีโดยใช้พารามิเตอร์สำคัญสามประการ: ความยาวคลื่น, ความเข้ม, และระยะเวลาพัลส์ เครื่องมือออนไลน์ฟรีนี้ช่วยให้นักวิจัย, นักศึกษา, และมืออาชีพสามารถกำหนดค่าที่สำคัญสำหรับการวิจัยและการใช้งานในออปติกที่ไม่เป็นเชิงเส้นได้อย่างรวดเร็ว

ปรากฏการณ์ทางออปติกที่ไม่เป็นเชิงเส้นนี้ถูกคาดการณ์ครั้งแรกโดย Maria Göppert-Mayer ในปี 1931 แต่ไม่ได้ถูกสังเกตการณ์ในทางปฏิบัติจนกระทั่งการประดิษฐ์เลเซอร์ในปี 1960 ปัจจุบันการดูดซับสองโฟตอนเป็นพื้นฐานสำหรับแอปพลิเคชันขั้นสูงมากมายรวมถึงการสร้างภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์, การบำบัดด้วยแสง, การจัดเก็บข้อมูลด้วยแสง, และการสร้างไมโคร

สัมประสิทธิ์การดูดซับสองโฟตอน (β) วัดแนวโน้มของวัสดุในการดูดซับโฟตอนสองตัวพร้อมกัน เครื่องคำนวณนี้ใช้โมเดลที่เรียบง่ายในการประมาณ β ตามความยาวคลื่นของแสงที่เข้ามา, ความเข้มของแสง, และระยะเวลาพัลส์—ให้วิธีที่รวดเร็วแก่นักวิจัย, นักศึกษา, และมืออาชีพในการคำนวณพารามิเตอร์ที่สำคัญนี้

สูตรและการคำนวณสัมประสิทธิ์การดูดซับสองโฟตอน

สัมประสิทธิ์การดูดซับสองโฟตอน (β) สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรที่เรียบง่ายดังต่อไปนี้:

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

โดยที่:

• $\beta$ = สัมประสิทธิ์การดูดซับสองโฟตอน (cm/GW)
• $K$ = ค่าคงที่ (1.5 ในโมเดลที่เรียบง่ายของเรา)
• $I$ = ความเข้มของแสงที่เข้ามา (W/cm²)
• $\tau$ = ระยะเวลาพัลส์ (เฟมโทวินาที, fs)
• $\lambda$ = ความยาวคลื่นของแสงที่เข้ามา (นาโนเมตร, nm)

สูตรนี้แสดงถึงโมเดลที่เรียบง่ายซึ่งจับฟิสิกส์ที่สำคัญของการดูดซับสองโฟตอนได้ ในความเป็นจริง สัมประสิทธิ์การดูดซับสองโฟตอนยังขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุและการเปลี่ยนแปลงทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เฉพาะเจาะจง อย่างไรก็ตาม การประมาณนี้ให้จุดเริ่มต้นที่ดีสำหรับแอปพลิเคชันที่ใช้งานได้หลายอย่าง

การทำความเข้าใจตัวแปร

1. ความยาวคลื่น (λ): วัดเป็นนาโนเมตร (nm) นี่คือความยาวคลื่นของแสงที่เข้ามา TPA มักเกิดขึ้นที่ความยาวคลื่นระหว่าง 400-1200 nm โดยมีประสิทธิภาพลดลงที่ความยาวคลื่นที่ยาวกว่า สัมประสิทธิ์มีความสัมพันธ์แบบกำลังสองผกผันกับความยาวคลื่น

2. ความเข้ม (I): วัดเป็น W/cm² ซึ่งแสดงถึงพลังงานต่อหน่วยพื้นที่ของแสงที่เข้ามา TPA ต้องการความเข้มสูง โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 10¹⁰ ถึง 10¹⁴ W/cm² สัมประสิทธิ์จะปรับขนาดเชิงเส้นกับความเข้ม

3. ระยะเวลาพัลส์ (τ): วัดเป็นเฟมโทวินาที (fs) นี่คือระยะเวลาของพัลส์แสง ค่าโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 10 ถึง 1000 fs สัมประสิทธิ์จะปรับขนาดเชิงเส้นกับระยะเวลาพัลส์

4. ค่าคงที่ (K): ค่าคงที่ที่ไม่มีมิติ (1.5 ในโมเดลของเรา) คำนึงถึงคุณสมบัติของวัสดุต่างๆ และการแปลงหน่วย ในโมเดลที่ละเอียดมากขึ้น ค่านี้จะถูกแทนที่ด้วยพารามิเตอร์เฉพาะของวัสดุ

วิธีการใช้เครื่องคำนวณการดูดซับสองโฟตอน

เครื่องคำนวณการดูดซับสองโฟตอนของเราทำให้การกำหนดสัมประสิทธิ์การดูดซับสองโฟตอนเป็นเรื่องง่ายโดยทำตามขั้นตอนเหล่านี้:

1. ป้อนความยาวคลื่น: ป้อนความยาวคลื่นของแสงที่เข้ามาในนาโนเมตร (nm) ค่าโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 400 ถึง 1200 nm

2. ป้อนความเข้ม: ป้อนความเข้มของแหล่งแสงของคุณใน W/cm² คุณสามารถใช้การเขียนในรูปแบบวิทยาศาสตร์ (เช่น 1e12 สำหรับ 10¹²)

3. ป้อนระยะเวลาพัลส์: ป้อนระยะเวลาพัลส์ในเฟมโทวินาที (fs)

4. ดูผลลัพธ์: เครื่องคำนวณจะแสดงสัมประสิทธิ์การดูดซับสองโฟตอนใน cm/GW ทันที

5. คัดลอกผลลัพธ์: ใช้ปุ่ม "คัดลอกผลลัพธ์" เพื่อคัดลอกค่าที่คำนวณได้ไปยังคลิปบอร์ดของคุณ

เครื่องคำนวณยังให้:

• ข้อมูลย้อนกลับผ่านการแสดงภาพแบบไดนามิก
• ข้อความเตือนสำหรับค่าที่อยู่นอกช่วงปกติ
• รายละเอียดการคำนวณที่อธิบายว่าผลลัพธ์ถูกสร้างขึ้นอย่างไร

การตรวจสอบข้อมูลนำเข้าและข้อจำกัด

เครื่องคำนวณทำการตรวจสอบหลายอย่างเพื่อให้แน่ใจว่าผลลัพธ์ถูกต้อง:

• ข้อมูลนำเข้าทั้งหมดต้องเป็นตัวเลขบวก
• ข้อความเตือนจะแสดงสำหรับค่าที่อยู่นอกช่วงปกติ:
  • ความยาวคลื่น: 400-1200 nm
  • ความเข้ม: 10¹⁰ ถึง 10¹⁴ W/cm²
  • ระยะเวลาพัลส์: 10-1000 fs

แม้ว่าเครื่องคำนวณจะยังคำนวณผลลัพธ์สำหรับค่าที่อยู่นอกช่วงเหล่านี้ แต่ความแม่นยำของโมเดลที่เรียบง่ายอาจลดลง

วิธีการคำนวณ

เครื่องคำนวณใช้สูตรที่กล่าวถึงข้างต้นในการคำนวณสัมประสิทธิ์การดูดซับสองโฟตอน นี่คือการแบ่งขั้นตอนการคำนวณ:

1. ตรวจสอบพารามิเตอร์นำเข้าทั้งหมดเพื่อให้แน่ใจว่าพวกเขาเป็นตัวเลขบวก
2. แปลงความเข้มจาก W/cm² เป็น GW/cm² โดยการหารด้วย 10⁹
3. ใช้สูตร: β = K × (I × τ) / λ²
4. แสดงผลลัพธ์ใน cm/GW

ตัวอย่างเช่น ด้วยความยาวคลื่น = 800 nm, ความเข้ม = 10¹² W/cm², และระยะเวลาพัลส์ = 100 fs:

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

การใช้งานของการดูดซับสองโฟตอนในการวิจัยและอุตสาหกรรม

การดูดซับสองโฟตอนมีการใช้งานมากมายในหลายสาขาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี:

1. กล้องจุลทรรศน์สองโฟตอน

กล้องจุลทรรศน์สองโฟตอนใช้ TPA เพื่อให้ได้ภาพสามมิติที่มีความละเอียดสูงของตัวอย่างชีวภาพ ความสัมพันธ์แบบกำลังสองกับความเข้มช่วยจำกัดการกระตุ้นไปยังจุดโฟกัส ลดการฟอกสีและพิษจากแสงในพื้นที่ที่อยู่นอกโฟกัส

ตัวอย่าง: นักวิจัยที่ใช้เลเซอร์ Ti:Sapphire ที่ 800 nm ด้วยพัลส์ 100 fs ต้องการคำนวณสัมประสิทธิ์การดูดซับสองโฟตอนเพื่อเพิ่มความลึกในการสร้างภาพในเนื้อสมอง โดยใช้เครื่องคำนวณของเราโดยมีความเข้ม = 5×10¹² W/cm² พวกเขาสามารถกำหนด β = 1.17 cm/GW ได้อย่างรวดเร็ว

2. การบำบัดด้วยแสง

การกระตุ้นด้วยสองโฟตอนช่วยให้สามารถเปิดใช้งานสารไวแสงได้อย่างแม่นยำที่ความลึกของเนื้อเยื่อที่มากขึ้นโดยใช้แสงใกล้อินฟราเรด ซึ่งสามารถซึมผ่านเนื้อเยื่อได้ดีกว่าแสงที่มองเห็น

ตัวอย่าง: นักวิจัยทางการแพทย์ที่พัฒนาสารไวแสงใหม่สำหรับการรักษามะเร็งต้องการระบุคุณสมบัติการดูดซับสองโฟตอนของมัน โดยใช้เครื่องคำนวณของเรา พวกเขาสามารถกำหนดความยาวคลื่นและความเข้มที่เหมาะสมเพื่อให้ได้ผลทางการบำบัดสูงสุดในขณะที่ลดความเสียหายต่อเนื้อเยื่อที่มีสุขภาพดีรอบๆ

3. การจัดเก็บข้อมูลด้วยแสง

TPA ช่วยให้การจัดเก็บข้อมูลด้วยแสงสามมิติที่มีความหนาแน่นสูงและการเลือกสรร โดยการมุ่งเน้นลำแสงเลเซอร์ภายในวัสดุที่ไวต่อแสง ข้อมูลสามารถถูกเขียนที่พิกัดสามมิติที่เฉพาะเจาะจง

ตัวอย่าง: วิศวกรที่ออกแบบสื่อการจัดเก็บข้อมูลด้วยแสงใหม่ต้องการคำนวณสัมประสิทธิ์การดูดซับสองโฟตอนเพื่อกำหนดพลังงานเลเซอร์ขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับการเขียนข้อมูลอย่างเชื่อถือได้ในขณะที่หลีกเลี่ยงการข้ามระหว่างตำแหน่งการจัดเก็บที่อยู่ติดกัน

4. การสร้างไมโครและการพิมพ์ 3 มิติ

การพอลิเมอไรเซชันด้วยสองโฟตอนช่วยให้สามารถสร้างโครงสร้างไมโครสามมิติที่ซับซ้อนได้ด้วยขนาดฟีเจอร์ที่ต่ำกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบน

ตัวอย่าง: นักวิทยาศาสตร์วัสดุที่พัฒนาพอลิเมอร์ใหม่สำหรับการสร้างไมโคร 3 มิติใช้เครื่องคำนวณของเราเพื่อกำหนดพารามิเตอร์เลเซอร์ที่เหมาะสม (ความยาวคลื่น, ความเข้ม, ระยะเวลาพัลส์) เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการพอลิเมอไรเซชันและความละเอียดเชิงพื้นที่ที่ต้องการ

5. การจำกัดแสง

วัสดุที่มีสัมประสิทธิ์การดูดซับสองโฟตอนสูงสามารถใช้เป็นตัวจำกัดแสงเพื่อปกป้องส่วนประกอบออปติกที่ละเอียดอ่อนจากพัลส์เลเซอร์ที่มีความเข้มสูง

ตัวอย่าง: ผู้รับเหมากลาโหมที่ออกแบบแว่นตาป้องกันสำหรับนักบินต้องการคำนวณสัมประสิทธิ์การดูดซับสองโฟตอนของวัสดุต่างๆ เพื่อระบุวัสดุที่ให้การปกป้องที่ดีที่สุดต่อภัยคุกคามจากเลเซอร์ในขณะที่ยังคงมองเห็นได้ดีในสภาวะปกติ

ทางเลือกสำหรับการดูดซับสองโฟตอน

แม้ว่าการดูดซับสองโฟตอนจะมีประสิทธิภาพสำหรับแอปพลิเคชันหลายอย่าง แต่กระบวนการทางออปติกที่ไม่เป็นเชิงเส้นทางเลือกอื่นอาจเหมาะสมกว่าในบางสถานการณ์:

1. การดูดซับสามโฟตอน: เสนอการจำกัดเชิงพื้นที่ที่มากขึ้นและการซึมผ่านที่ลึกขึ้น แต่ต้องการความเข้มที่สูงกว่า

2. การสร้างฮาร์มอนิกที่สอง (SHG): แปลงโฟตอนสองตัวที่มีความถี่เดียวกันเป็นโฟตอนเดียวที่มีความถี่สองเท่า มีประโยชน์สำหรับการแปลงความถี่และการสร้างภาพคอลลาเจนและโครงสร้างที่ไม่เป็นศูนย์กลางอื่นๆ

3. การกระจายรามานที่กระตุ้น (SRS): ให้ความแตกต่างทางเคมีที่ไม่มีป้ายกำกับตามโหมดการสั่นสะเทือน มีประโยชน์สำหรับการสร้างภาพไขมันและโมเลกุลชีวภาพอื่นๆ

4. กล้องจุลทรรศน์แบบคอนฟอคัลโฟตอนเดียว: ง่ายกว่าและมีราคาถูกกว่ากล้องจุลทรรศน์สองโฟตอน แต่มีการซึมผ่านที่น้อยกว่าและการฟอกสีที่มากขึ้น

5. การถ่ายภาพด้วยความสอดคล้องทางออปติก (OCT): ให้การสร้างภาพโครงสร้างด้วยการซึมผ่านที่สูง แต่มีความละเอียดต่ำกว่ากล้องจุลทรรศน์สองโฟตอน

ประวัติของการดูดซับสองโฟตอน

รากฐานทางทฤษฎีสำหรับการดูดซับสองโฟตอนถูกวางโดย Maria Göppert-Mayer ในวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของเธอในปี 1931 ซึ่งเธอคาดการณ์ว่าอะตอม หรือโมเลกุลสามารถดูดซับโฟตอนสองตัวพร้อมกันในเหตุการณ์ควอนตัมเดียว สำหรับผลงานที่ก้าวล้ำนี้ เธอได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1963

อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบทางทดลองของการดูดซับสองโฟตอนต้องรอจนกระทั่งการประดิษฐ์เลเซอร์ในปี 1960 ซึ่งให้ความเข้มสูงที่จำเป็นในการสังเกตปรากฏการณ์ทางออปติกที่ไม่เป็นเชิงเส้นนี้ ในปี 1961 Kaiser และ Garrett ที่ Bell Labs รายงานการสังเกตการณ์ทางทดลองครั้งแรกของการดูดซับสองโฟตอนในผลึกที่มีการเติมยูโรเปียม

การพัฒนาเลเซอร์พัลส์สั้นในปี 1980 และ 1990 โดยเฉพาะเลเซอร์ Ti:Sapphire ได้ปฏิวัติโดยการให้ความเข้มพีคสูงและความสามารถในการปรับความยาวคลื่นที่เหมาะสมสำหรับการกระตุ้นด้วยสองโฟตอน ซึ่งนำไปสู่การประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์สองโฟตอนโดย Winfried Denk, James Strickler, และ Watt Webb ที่มหาวิทยาลัยคอร์เนลในปี 1990 ซึ่งตั้งแต่นั้นมาได้กลายเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้ในด้านการสร้างภาพชีวภาพ

ในทศวรรษที่ผ่านมา การวิจัยมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาวัสดุที่มีขนาดการดูดซับสองโฟตอนที่สูงขึ้น, การทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและคุณสมบัติที่ควบคุม TPA, และการขยายการใช้งานของกระบวนการสองโฟตอนในสาขาต่างๆ ตั้งแต่ชีวการแพทย์ไปจนถึงเทคโนโลยีสารสนเทศ

การวัดและการคำนวณสัมประสิทธิ์การดูดซับสองโฟตอนได้พัฒนาไปจากการตั้งค่าทดลองที่ซับซ้อนสู่วิธีการคำนวณที่เข้าถึงได้มาก