Broadband light source for radiometric calibrations in the ultraviolet region
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-09-30
Department
Major/Subject
Photonics and Nanotechnology
Mcode
ELEC3052
Degree programme
Master's Programme in Electronics and Nanotechnology
Language
en
Pages
40
Series
Abstract
In this thesis, a functional prototype of a broadband ultraviolet standard source has been designed, built, and tested. The prototype consists of an ultraviolet light-emitting diode matrix paired with a phosphor disk. The system utilises the phosphor’s ability to produce longer wavelengths when it is excited by an external source. The lightemitting diode matrix produces ultraviolet light at 266 nm peak wavelength to excite the phosphor material. The phosphor emits longer wavelengths between 300 – 400 nm, broadening the spectrum. The phosphor emission intensity remained modest compared to the LED peak. Optical efficiency was around 10 % for the system, and approximately 5 % of the radiation passing through the phosphor was caused by emission. As a proof-of-concept, the prototype worked as intended. Ultraviolet light-emitting diode, combined with a phosphor material that emits longer wavelengths, provides a broad spectrum. The source was studied for its distance behaviour at distances of 200 – 900 mm using extended inverse square law. The results showed that the emitted radiation is formed in the phosphor component. Analysis of the peak wavelength after the phosphor component showed an interesting result that it is partly penetrating through the phosphor with no interaction, but partly absorbed and scattered. The operating temperature of the light-emitting diode was varied to see its effect on the spectral irradiance. Measurements showed a shift of the peak wavelength to longer wavelengths with increasing temperature, by around 6 – 9 pm/◦C. The phosphor component also showed temperature dependence in its intensity by -0.16 %/◦C. Similar measurements were made for the drive current of the LED, and it was found that the calculated total irradiance of the LED increased by 0.16 %/mA on average. To achieve the desired standard source, further research is required to enhance the emitted spectral intensity of the device. The phosphor compound should be amended to cover the targeted wavelength region of 285 – 400 nm. The efficiency could be improved by collecting radiation with lenses or mirrors, or by switching to reflective optics. However, the prototype gave plenty of knowledge on how to improve the performance further.Tässä työssä suunniteltiin, rakennettiin ja testattiin prototyyppi laajaspektriselle valonlähteelle ultraviolettialueella. Prototyypissä on ultraviolettialueen loistediodi, eli ledi, yhdistettynä fosforikiekkoon. Järjestelmä hyödyntää fosforimateriaalin kykyä tuottaa valoa, kun sitä viritetään lyhyemmillä aallonpituuksilla. Ledi tuottaa lyhyen aallonpituuden ultraviolettivaloa 266 nm aallonpituudella, mikä virittää fosforimateriaalin. Fosfori tuottaa valoa ultraviolettialueen pidemmillä aallonpituuksilla, 300 – 400 nm välillä laajentaen spektriä. Fosforiemission tuottama emissiointensiteetti on vaatimaton verrattuna ledin intensiteettiin. Optinen tehokkuus on noin 10 %, ja noin 5 % kiekon läpäisevästä säteilystä on fosforin tuottamaa. Protyyppi toimii todisteena konseptin toimivuudesta. Yhdistämällä ultraviolettialueen ledin sekä sopivan fosforikomponentin voidaan saavuttaa laaja spektri, joka kattaa halutun ultraviolettispektrialueen. Valolähteen etäisyysriippuvuutta tutkittiin 200 – 900 mm etäisyyksillä käyttäen laajennettua käänteistä neliölakia. Tuloksista havaittiin, että fosforin tuottama valo syntyy fosforikiekon sisällä. Ledin huippuaallonpituuden analysointi fosforikomponentin läpi osoitti, että osa valosta läpäisee fosforin muuttumattomana, mutta osa valosta absorboituu ja siroaa fosforikiekossa. Ledin käyttölämpötilan vaikutusta protyypin tuottamaan spektriin tutkittiin ja havaittiin, että lämpötilan kasvaessa koko spektri siirtyy kohti pidempiä aallonpituuksia noin 6 – 9 pm/◦C. Fosforikomponentin intensiteetille mitattiin lämpötilariippuvuus -0.16 %/◦C. Samantyyppinen analyysi tehtiin myös ledin käyttövirralle, ja havaittiin laskennallisen kokonaisirradianssin kasvavan keskimäärin 0.16 %/mA. Jotta prototyypistä saadaan kehitettyä haluttu standardivalonlähde, vaatii se lisää tutkimus- ja tuotekehitystyötä emittoituvan spektrisen intensiteetin kasvattamiseen. Fosforimateriaalin tulisi kattaa aallonpituusalue 285 – 400 nm kokonaan. Prototyypin tehokkuutta voitaisiin parantaa keräämällä säteilyä linssien tai peilien avulla, tai muokkaamalla optiikkaa läpäisevästä heijastavaksi. Prototyyppi tarjosi kuitenkin paljon pohjatietoa, jonka avulla laitteiston toimintaa voidaan kehittää tulevaisuudessa.Description
Supervisor
Kärhä, PetriThesis advisor
Eghbali Yeldagermani, AfsanehKeywords
light-emitting diode, phosphor, photoluminescence, radiometry, spectrum, standard