¿Cuáles son las ventajas y desventajas de las diversas opciones que acoplan un LED a una fibra óptica?

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Estoy tratando de acoplar un LED blanco a un haz de fibras que se compone de varias fibras de sílice de 30 uM. El diámetro exterior del haz es del orden de 0,5 mm. El NA de la fibra es de .87 y todo el haz se coloca en una férula de acero inoxidable de .125 "de diámetro. He leído sobre diferentes métodos de acoplamiento, desde lentes de bola hasta pegar la fibra directamente sobre el LED morir.

Tengo curiosidad por saber si alguien tiene experiencia haciendo algo como esto. ¿Alguien puede delinear las ventajas / desventajas de los diversos métodos? ¿Son las principales compensaciones costo vs eficiencia de transmisión? Si es así, ¿qué métodos hay en qué extremo del espectro?

Vale la pena decir que no estoy vendido en ningún LED en particular, pero he experimentado simplemente sosteniendo la férula sobre un LXML-PWC2 : entran toneladas de luz (suficiente para mi aplicación) con iF ~ 400mA. Esta sería una solución razonable, excepto que la eficiencia de la transferencia es terrible (obviamente), así que tengo que usar más corriente de la que me gustaría. El resultado es un disipador de calor bastante grande, que me gustaría encoger o deshacer todos juntos.

Doov
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¿Podría especificar cuál es la aplicación, o al menos cuánta luz se requiere, y qué extensión se necesita en el extremo de visualización? Los ferrocarriles modelo a menudo usan fibra de emisión final pegada firmemente a la cabeza de un LED discreto de 3 mm con lente, o incluso un LED SMD de ángulo pequeño, usando un pegamento transparente y una unión apretada (sin aire en la unión). En el extremo de salida, un soldador presionado en la punta forma un pequeño hongo que emite bien la luz.
Anindo Ghosh
¿Cuántas fibras hay en el paquete?
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La aplicación es para iluminar un pequeño volumen - 1.5cm ^ 3. Realmente no sé cómo especificar la cantidad de luz que necesito aparte de cualitativamente para decir "esto se ve bien". Frustrante lo sé ... Con el led de alta potencia obtengo aproximadamente la cantidad correcta de luz. Si tuviera que adivinar la eficiencia de la transferencia, la estacionaría a menos del 10%. Supongo que a partir de ahí podría volver a responder y decir que @ iF = 400 mA el led está produciendo aproximadamente 150 lúmenes. Si supongo una transferencia del 10%, podría llamarlo ~ 15 lúmenes de luz requerida. Sin embargo, ese es un botín bastante importante ...
Doov
@ThePhoton Creo que hay aproximadamente 50 fibras en el paquete, pero lo comprobaré dos veces.
Doov
Pocas aclaraciones: de hecho, hay ~ 50 fibras, pero el NA es más alto de lo que pensaba: .87. Además, el diámetro de cada fibra es más pequeño de lo que pensaba: 30 uM.
Doov

Respuestas:

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La fibra "típica" para la comunicación tiene un diámetro de 9, 50 o 62.5 um en el núcleo, pero hay un revestimiento de 125 um que también es necesario para que la fibra funcione. También hay 900 um de núcleo de fibra óptica de plástico. Lo que hay ahí fuera para la iluminación, no estoy seguro. Claramente no estás trabajando con uno de los tipos con los que estoy familiarizado.

Pero, el punto clave es que el núcleo es más pequeño que el revestimiento. Y la luz acoplada a la fibra será (el mejor de los casos) lo que cae sobre el núcleo. Con .87 NA, probablemente se acerque bastante a este ideal. Así que solo inventaré algunos números. Digamos que tiene un núcleo de 30 um en un revestimiento de 60 um. En general, la máxima eficiencia de acoplamiento se puede esperar de iluminar uniformemente el extremo del haz de fibras es 30 2 /60 2 o 25%.

Luego hay un factor para la densidad de empaque de los objetos redondos en un área (los espacios entre las fibras en el paquete) que creo que es aproximadamente el 78% del mejor caso.

Y una pérdida de reflexión de aproximadamente 4% para la luz que ingresa al vidrio desde el aire.

Agregue todo esto, (.25) x (.78) x (.96), y tendrá aproximadamente un 19% de eficiencia de acoplamiento en el mejor de los casos. (Deberá volver a calcular esto sabiendo el factor correcto para el primer término)

Si te estás acercando a esto, diría que en realidad lo estás haciendo bastante bien.

Por supuesto, no estaría de más encontrar un LED que emita en un cono estrecho en lugar de más de la mitad de todo el espacio, o incluso agregar algún tipo de lente para enfocar la luz en el área del haz de fibras. Pero, en general, el mejor acoplamiento de su caso aún no será tan bueno.

El fotón
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Gracias por la respuesta. ¿Hay una buena manera de medir la eficiencia del acoplamiento? Cuando estacioné la pelota menos del 10%, simplemente se basó en mi botín (inexacto) y cuánta luz salía de la fibra en cuanto a la cantidad de luz que salía de la base / conexión. Es bastante posible que haya bajado a algo así como el 3%, en cuyo caso el 19% sería una gran mejora, al menos podría reducir el iF en el diodo y perder algo de calor. ¿Qué tipo de soluciones de lentes existen y cuáles son las compensaciones? ¡Gracias!
Doov
Medir la salida del paquete de fibra debería ser bastante fácil si tienes el equipo adecuado. Simplemente acerque el paquete lo más posible a un fotodetector de área grande. Estos están fácilmente disponibles con diámetros muy superiores a .125 ". Medir la salida del LED en sí es más difícil --- si obtiene un fotodetector lo suficientemente grande y lo mantiene lo suficientemente cerca del LED, probablemente obtendrá una estimación razonable de la potencia total disponible.
El fotón
Los sensores de grado instrumental de este tipo (y la electrónica del medidor para leer la respuesta, calibrada en uW) están disponibles en compañías como Newport, ThorLabs, etc. Si desea hacerlo con un presupuesto ajustado, no estoy seguro exactamente dónde ir.
El fotón
¡Muchas gracias por la información! ¿Alguna sugerencia para usar una lente como comparación con el acoplamiento mecánico recto?
Doov
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Bueno, su elección de un LED blanco es la peor opción posible que podría hacer, a menos que simplemente tenga que tener luz blanca para su aplicación. La razón es que los LED blancos tienen una luminancia significativamente menor que los LED de colores, porque la luz se emite desde un fósforo que tiene una gran superficie, en comparación con el dado de LED desnudo de un LED de color.

Una lente no va a ayudar mucho, a menos que pueda obtener un LED de matriz desnudo sin cables de unión para interponerse en el camino de la óptica, y tendrá dificultades para encontrar una lente lo suficientemente pequeña con un NA operativo lo suficientemente grande y lo suficientemente bajo aberraciones para realmente funcionar correctamente. Tendría que enfocar una imagen real del troquel desnudo, en el extremo del haz de fibras. Pero nunca puede lograr que la luminosidad de la imagen exceda la de la fuente. (prohibición de la segunda ley).

La mejor apuesta (suponiendo que realmente tenga que tener esa luz blanca), es encontrar un pequeño LED de superficie plana (como un chip) y pegarlo en el extremo del haz de fibras con un pegamento transparente, con el menor espacio posible entre la fibra y El LED.

usuario28555
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Necesito luz blanca De ahí el LED blanco. ¿Por qué una lente no ayuda? Tengo entendido que una lente de bola no es una mala idea para esta aplicación. ¿Por qué sería mejor un led plano? ¿Solo por adherirlo? En términos generales, tienen ángulos de dispersión mucho más amplios (por lo que supongo que hay menos luz dirigida hacia la fibra).
Doov
Bueno, dos cosas impiden que la luz entre en su paquete de fibra. Uno es el área de superficie de la fibra (núcleo) y el otro es la apertura numérica (NA) de las fibras. Si U es el ángulo máximo de incidencia en el núcleo, que se puede transmitir, y H es el diámetro del núcleo, la cantidad NHSin (U) es invariable en todas las transformaciones ópticas. Se llama el teorema del pecado óptico, o, a veces, el invariante lagrange. La única forma de obtener más luz es aumentar el resplandor (o luminancia) de la fuente. Una lente no puede hacer que una lente de bola sea mala debido a aberraciones que pierden más
user28555
Tal vez no entiendo: ¿por qué una lente no puede ayudar a colimar la luz en la fibra? Tengo que imaginar que hay una tercera cosa que impide que la luz ingrese al paquete: la dirección de la luz en relación con el paquete. Después de todo, si giro el led 180 grados desde el paquete, entonces la luz cero entra sin importar el área de superficie / NA. No entiendo por qué una lente no puede ayudar: si 2 leds emiten la misma cantidad de fotones, pero uno los emite sobre un área más pequeña que los vatios / m ^ 2 en el caso de área más pequeña es> que el área grande caso. ¿No puede una lente ayudar a enfocar la luz a un punto más pequeño (por ejemplo, mi fibra)?
Doov
Tal vez no entiendo esto, pero consulte las preguntas frecuentes de óptica edmuds "Estoy buscando la mejor manera de maximizar la cantidad de luz de un LED en una fibra óptica. ¿Cuáles son las mejores opciones para acoplar mi LED y fibra? " edmundoptics.com/technical-resources-center/…
Doov