फ्लोरोसेंस रूपांतरण के माध्यम से डीप-यूवी एलईडी उत्सर्जन पैटर्न का अभिलक्षण

विषय सूची

1. परिचय

AlGaN-आधारित डीप-अल्ट्रावायलेट (डीप-यूवी) लाइट-एमिटिंग डायोड (एलईडी) में हाल की प्रगति, जो 220-280 nm के बीच कार्य करते हैं और 100 mW रेंज में शक्ति आउटपुट देते हैं, ने कीटाणुशोधन, जल शुद्धिकरण, गैस संवेदन और विशेष रूप से, फ्लोरोसेंस माइक्रोस्कोपी में उत्तेजना स्रोतों के रूप में महत्वपूर्ण क्षमता उजागर की है। उनके प्रभावी अनुप्रयोग के लिए एक महत्वपूर्ण पैरामीटर, विशेष रूप से माइक्रोस्कोपी में जहाँ प्रकाश की एकरूपता सर्वोपरि है, वह है एलईडी का उत्सर्जन पैटर्न—इसकी विकिरण तीव्रता का कोणीय वितरण।

डीप-यूवी एलईडी के लिए इस पैटर्न का अभिलक्षण एक अनूठी चुनौती प्रस्तुत करता है: मानक सिलिकॉन-आधारित CMOS और CCD कैमरों की डीप-यूवी स्पेक्ट्रम में कांच या पॉलीसिलिकॉन परतों द्वारा अवशोषण के कारण कुख्यात रूप से कम संवेदनशीलता होती है। हालाँकि विशेष (और महंगे) बैक-थिन्ड CCD मौजूद हैं, यह कार्य एक सुरुचिपूर्ण, लागत-प्रभावी विकल्प प्रस्तुत करता है: एक फ्लोरोसेंस-आधारित रूपांतरण विधि।

2. सामग्री और विधियाँ

मुख्य प्रायोगिक सेटअप में एक 280 nm एलईडी (LG Innotek LEUVA66H70HF00) शामिल थी। इस नवीन विधि में प्रत्यक्ष यूवी पहचान को दरकिनार करते हुए एलईडी का उपयोग एक फ्लोरोसेंट नमूने को प्रकाशित करने के लिए किया जाता है। नमूना 280 nm विकिरण को अवशोषित करता है और एक लंबी, दृश्यमान तरंगदैर्ध्य पर प्रकाश का पुनः उत्सर्जन करता है, जिसे फिर एक मानक CMOS कैमरा द्वारा आसानी से कैप्चर किया जाता है। फ्लोरोसेंट छवि में तीव्रता वितरण एलईडी के फ़ार-फ़ील्ड उत्सर्जन पैटर्न का एक अप्रत्यक्ष लेकिन सटीक माप प्रदान करता है। कोणीय प्रोफ़ाइल एलईडी को उसकी धुरी के चारों ओर घुमाकर और संबंधित फ्लोरोसेंस तीव्रता को रिकॉर्ड करके प्राप्त की गई थी।

3. परिणाम और चर्चा

प्राथमिक निष्कर्ष यह था कि परीक्षण किए गए प्लानर-पैकेज्ड डीप-यूवी एलईडी का उत्सर्जन पैटर्न लैम्बर्टियन वितरण का उल्लेखनीय सटीकता (99.6%) के साथ अनुसरण करता था। लैम्बर्टियन मॉडल एक ऐसी सतह का वर्णन करता है जहाँ देखने के कोण की परवाह किए बिना मानी गई चमक समान होती है, जिसकी तीव्रता सतह के अभिलंब से कोण ($\theta$) के कोसाइन के समानुपाती होती है। वायु में तीव्रता इस प्रकार दी जाती है:

$I = \frac{P_{LED}}{4\pi r^2} \frac{n_{air}^2}{n_{LED}^2} \cos(\theta)$

जहाँ $P_{LED}$ विकिरण शक्ति है, $r$ दूरी है, और $n_{air}$ और $n_{LED}$ क्रमशः वायु और अर्धचालक के अपवर्तनांक हैं।

अध्ययन ने सफलतापूर्वक इस तकनीक की क्षमता को विभिन्न एलईडी पैकेजिंग प्रकारों (जैसे, प्लानर बनाम अर्धगोलाकार) के बीच अंतर करने के लिए प्रदर्शित किया, जो विशेष रूप से भिन्न उत्सर्जन पैटर्न (लैम्बर्टियन बनाम समदैशिक) उत्पन्न करते हैं।

4. तकनीकी विश्लेषण और मुख्य अंतर्दृष्टि

5. विश्लेषण ढांचा: एक व्यावहारिक मामला

परिदृश्य: एक स्टार्टअप डीप-यूवी एलईडी का उपयोग करके एक पोर्टेबल जल कीटाणुशोधन उपकरण विकसित कर रहा है। उन्हें यह सुनिश्चित करने की आवश्यकता है कि एलईडी एक बेलनाकार जल चैनल को समान रूप से प्रकाशित करे ताकि प्रभावी रोगजनक निष्क्रियता की गारंटी दी जा सके।

ढांचा अनुप्रयोग:

1. समस्या परिभाषा: सोर्स किए गए 265 nm एलईडी के कोणीय उत्सर्जन पैटर्न का अभिलक्षण करें ताकि जल चैनल के भीतर फ्लूएंस दर को मॉडल किया जा सके।
2. उपकरण चयन: फ्लोरोसेंस विधि का उपयोग करें। एक समतल सतह पर यूवी-उत्तेजनीय, नीला उत्सर्जन करने वाले फॉस्फोर (जैसे, एक कैलिब्रेटेड YAG:Ce फिल्म) की पतली परत रखी जाती है।
3. डेटा अधिग्रहण: एलईडी, एक निश्चित दूरी पर, फिल्म को प्रकाशित करती है। एक मानक स्मार्टफोन कैमरा (RGB) नीले उत्सर्जन पैटर्न को कैप्चर करता है। एलईडी को वृद्धिशील रूप से घुमाया जाता है, और प्रत्येक कोण पर एक छवि ली जाती है।
4. विश्लेषण: छवि प्रसंस्करण (जैसे, Python के साथ OpenCV या ImageJ का उपयोग करके) तीव्रता प्रोफाइल निकालता है। रेडियल तीव्रता बनाम कोण डेटा को लैम्बर्टियन ($I \propto \cos(\theta)$) या अन्य मॉडल (जैसे, अधिक सामान्य $\cos^m(\theta)$ फ़ंक्शन) के लिए फिट किया जाता है।
5. निर्णय: यदि पैटर्न अत्यधिक लैम्बर्टियन (m≈1) है, तो एकरूपीकरण के लिए सरल लेंसिंग पर्याप्त हो सकती है। यदि यह अत्यधिक दिशात्मक (m>>1) है, तो एक डिफ्यूज़र या परावर्तक इंटीग्रेटर आवश्यक हो सकता है। यह कम लागत वाला परीक्षण महंगे प्रोटोटाइप बनाने से पहले ऑप्टिकल डिजाइन को सूचित करता है।

6. भविष्य के अनुप्रयोग और दिशाएँ

निहितार्थ सरल अभिलक्षण से परे फैलते हैं:

• इन-लाइन प्रक्रिया निगरानी: एलईडी विनिर्माण लाइनों में वास्तविक समय उत्सर्जन पैटर्न गुणवत्ता नियंत्रण के लिए एक फ्लोरोसेंट सेंसर को एकीकृत करना।
• बायोमेडिकल उपकरण कैलिब्रेशन: त्वचा की स्थितियों के इलाज के लिए वियरेबल यूवी फोटोथेरेपी उपकरणों में समान प्रकाश व्यवस्था सुनिश्चित करना।
• विस्तारित तरंगदैर्ध्य: सिलिकॉन डिटेक्टरों के लिए अन्य "अंधे" क्षेत्रों जैसे डीप इन्फ्रारेड में एलईडी के अभिलक्षण के लिए उचित अप-कन्वर्टिंग फॉस्फोर का उपयोग करके एक ही सिद्धांत को लागू करना।
• स्मार्ट सामग्री एकीकरण: "बुद्धिमान" फ्लोरोसेंट सतहों का विकास करना जो यूवी तीव्रता या कोण के आधार पर उत्सर्जन रंग या पैटर्न बदलती हैं, जिससे नए सेंसर डिजाइन सक्षम होते हैं।
• मानकीकरण: NIST या IEC जैसे निकायों के साथ काम करके इसे कम लागत वाले एलईडी पैटर्न सत्यापन के लिए एक अनुशंसित अभ्यास में विकसित करना, मौजूदा फोटोमेट्रिक मानकों के पूरक के रूप में।

7. संदर्भ

1. Kneissl, M., & Rass, J. (2016). III-Nitride Ultraviolet Emitters. Springer.
2. Song, K., et al. (2016). Water disinfection with deep-UV LEDs. Journal of Water and Health.
3. Khan, M. A. H., et al. (2020). Deep-UV LED based gas sensors. ACS Sensors.
4. Lakowicz, J. R. (2006). Principles of Fluorescence Spectroscopy. Springer.
5. Zhu, J.-Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. IEEE ICCV. (CycleGAN reference for analogy)
6. National Institutes of Health (NIH). Principles of Reproducible Research.
7. McFarlane, M., & McConnell, G. (2019). Characterisation of a deep-ultraviolet light-emitting diode emission pattern via fluorescence. arXiv:1911.11669.