Quais são as vantagens e desvantagens das várias opções que acoplam um LED a uma fibra óptica?

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Estou tentando acoplar um LED branco a um pacote de fibras composto por várias fibras de sílica de 30 uM. O diâmetro externo do pacote é da ordem de 0,5 mm. O NA da fibra é 0,87 e todo o feixe é colocado em uma ponteira de aço inoxidável com 0,125 "de diâmetro. Eu li sobre diferentes métodos de acoplamento - tudo, desde uma lente esférica até a colagem da fibra diretamente sobre o LED morrer.

Estou curioso para saber se alguém tem experiência em fazer algo assim. Alguém pode delinear as vantagens / desvantagens dos vários métodos? As principais vantagens e desvantagens custo x eficiência de transmissão? Em caso afirmativo, quais são os métodos em que extremidade do espectro?

Vale ressaltar que não sou vendido em nenhum LED em particular, mas experimentei simplesmente segurar o ferrolho sobre um LXML-PWC2 - toneladas de luz entram (o suficiente para a minha aplicação) com iF ~ 400mA. Essa seria uma solução razoável, exceto que a eficiência da transferência é terrível (obviamente), então eu tenho que usar mais corrente do que gostaria. O resultado é um dissipador de calor bastante grande, que eu gostaria de reduzir ou abandonar todos juntos.

Doov
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Você poderia especificar o que é o aplicativo ou pelo menos quanta luz é necessária e qual propagação é necessária no final da visualização? Os ferroviários modelo geralmente usam fibra emissora final colada firmemente na cabeça de um LED discreto de 3 mm com lente ou mesmo um LED SMD de ângulo pequeno, usando uma cola transparente e uma ligação firme (sem ar na junção). No final da saída, um ferro de solda pressionado na ponta forma um pequeno cogumelo que emite luz bem.
Anindo Ghosh 28/08/2013
Quantas fibras no pacote?
The
A aplicação é para iluminar um pequeno volume - 1,5 cm ^ 3. Realmente não sei como especificar a quantidade de luz necessária, além da qualitativa, para dizer "isso parece bom". Frustrante, eu sei ... Com o led de alta potência, recebo aproximadamente a quantidade certa de luz. Se eu tivesse que adivinhar a eficiência da transferência, eu estacionaria em menos de 10%. Suponho que a partir daí eu poderia voltar a responder e dizer que @ iF = 400 mA o led está produzindo aproximadamente 150 lúmens. Se eu assumir uma transferência de 10%, poderia chamá-lo de ~ 15 lúmens de luz necessária. Isso é um muito grande dos ganhos embora ...
DOOV
@ ThePhoton Acredito que haja cerca de 50 fibras no pacote, mas vou verificar novamente.
Doov
Poucos esclarecimentos - existem de fato ~ 50 fibras, mas o NA é maior do que eu pensava - 0,87. Além disso, o diâmetro de cada fibra é menor do que eu pensava - 30 uM.
Doov 28/08

Respostas:

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A fibra "típica" para comunicação tem 9, 50 ou 62,5 um de diâmetro no núcleo, mas há um revestimento de 125 um que também é necessário para que a fibra funcione. Há também fibra ótica plástica de 900 um núcleo. O que há para iluminação, não tenho certeza. Claramente, você não está trabalhando com um dos tipos com os quais estou familiarizado.

Mas, o ponto principal é que o núcleo é menor que o revestimento. E a luz acoplada à fibra será (na melhor das hipóteses) o que cai no núcleo. Com o .87 NA, você provavelmente se aproximará desse ideal. Então eu vou inventar alguns números. Digamos que você tenha um núcleo de 30 um em um revestimento de 60 um. Em geral, a eficiência de acoplamento máxima que se poderia esperar a partir uniformemente iluminando a extremidade do feixe de fibras é de 30 2 /60 2 ou 25%.

Depois, há um fator para a densidade de empacotamento de objetos redondos em uma área (as lacunas entre as fibras do feixe) que, acredito, é cerca de 78% de melhor caso.

E uma perda de reflexão de cerca de 4% para a luz que entra no vidro do ar.

Adicione tudo isso, (.25) x (.78) x (.96) e você terá cerca de 19% de eficiência de acoplamento no melhor caso. (Você precisará recalcular isso sabendo o fator correto para o primeiro período)

Se você está chegando perto disso, eu diria que você está indo muito bem.

É claro que não faria mal encontrar um LED que emita em um cone estreito em vez de mais da metade de todo o espaço, ou até mesmo adicionar algum tipo de lente para focar a luz na área do feixe de fibras. Mas geralmente o seu melhor acoplamento ainda não será tão bom.

O fóton
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Obrigado pela resposta. Existe uma boa maneira de medir a eficiência do acoplamento? Quando estacionei em menos de 10%, baseei-me simplesmente em meus ganhos (imprecisos) e quanta luz estava saindo da fibra quanto em quanto luz estava saindo da base / conexão. É bem possível que eu esteja com algo em torno de 3%, caso em que 19% seria uma melhoria - pelo menos eu seria capaz de diminuir o iF no diodo e perder um pouco de calor. Que tipo de soluções de lentes existem e quais são as vantagens e desvantagens? Obrigado!
Doov
Medir a saída do pacote de fibras deve ser bastante fácil se você tiver a engrenagem certa. Basta aproximar o pacote o mais próximo possível de um fotodetector de grande área. Eles estão prontamente disponíveis com diâmetros bem acima de .125 ". Medir a saída do próprio LED é mais difícil - se você obtiver um fotodetector grande o suficiente e segurá-lo perto o suficiente do LED, provavelmente obterá uma estimativa razoável da total de energia disponível.
O Photon
Sensores deste tipo (e os componentes eletrônicos do medidor para ler a resposta, calibrados em uW) estão disponíveis em empresas como Newport, ThorLabs, etc. Se você quiser fazê-lo com um orçamento apertado, não sei exatamente onde ir.
The Photon
Muito obrigado pela informação! Alguma sugestão para uma lente usar apenas como comparação ao acoplamento mecânico reto?
Doov
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Bem, sua escolha de um LED branco é a pior escolha possível, a menos que você simplesmente precise ter luz branca para sua aplicação. O motivo é que os LEDs brancos têm uma luminância significativamente menor que os LEDs coloridos, porque a luz está sendo emitida a partir de um fósforo que possui uma grande área de superfície, em comparação com a matriz nua de um LED colorido.

Uma lente não vai ajudar muito, a menos que você possa obter um LED de matriz nua sem fios bond para atrapalhar a óptica, e você terá dificuldade em encontrar uma lente pequena o suficiente com uma NA operacional grande o suficiente e baixa o suficiente aberrações para realmente funcionar corretamente. Você precisaria focar uma imagem real da matriz nua no final do pacote de fibras. Mas você nunca pode fazer com que a luminância da imagem exceda a da fonte. (proibição da segunda lei).

A melhor aposta (supondo que você realmente tenha essa luz branca) é encontrar um pequeno LED de superfície plana (semelhante a um chip) e colá-lo na extremidade do pacote de fibras com uma cola transparente, com o menor espaçamento possível entre a fibra e o LED.

user28555
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Eu preciso de luz branca. Daí o LED branco. Por que uma lente não ajuda? Meu entendimento é que uma lente esférica não é uma má idéia para esta aplicação. Por que um led plano seria melhor? Apenas por uma questão de aderi-lo? De um modo geral, eles têm ângulos de dispersão muito mais amplos (então eu assumiria menos luz direcionada para a fibra).
Doov 6/13
Bem, duas coisas impedem a luz de entrar no seu pacote de fibras. Uma é a área de superfície da fibra (núcleo) e a outra é a abertura numérica (NA) das fibras. Se U é o ângulo máximo de incidência no núcleo, que pode ser transmitido, e H é o diâmetro do núcleo, a quantidade NHSin (U) é invariável em todas as transformações ópticas. É chamado de teorema do pecado óptico ou, às vezes, invariável no intervalo de tempo. A única maneira de obter mais luz é aumentar o brilho (ou luminância) da fonte. A lente não pode fazer isso uma lente de bola é ruim por causa de aberrações que perdem mais
user28555
Talvez eu não esteja entendendo - por que uma lente não pode ajudar a colimar a luz na fibra? Eu tenho que imaginar que há uma terceira coisa que impede que a luz entre no feixe - a direção da luz em relação ao feixe. Afinal, se eu girar o led 180 graus do feixe, a luz zero entra em qualquer área de superfície / NA. Não entendo por que uma lente não pode ajudar - se 2 leds emitem o mesmo número de fótons, mas um os emite em uma área menor do que os watts / m ^ 2 no caso de área menor é> do que na área grande caso. Uma lente não pode ajudar a focalizar a luz em um ponto menor (por exemplo, minha fibra)?
Doov
Talvez eu não esteja entendendo isso, mas verifique as perguntas frequentes da edmuds optics "Estou procurando a melhor maneira de maximizar a quantidade de luz de um LED em uma fibra óptica. Quais são as melhores opções para acoplar meu LED e fibra? " edmundoptics.com/technical-resources-center/…
Doov 6/13