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

Estoy tratando de acoplar un LED blanco a un haz de fibras compuesto por 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 .87 y todo el paquete se coloca en una férula de acero inoxidable de .125" de diámetro. He leído sobre diferentes métodos de acoplamiento, desde una lente esférica hasta pegar la fibra directamente sobre el LED. morir.

Tengo curiosidad por si alguien tiene experiencia haciendo algo como esto. ¿Alguien puede delinear las ventajas/desventajas de los diversos métodos? ¿Las principales compensaciones son el costo y la eficiencia de la transmisión? Si es así, ¿qué métodos están en qué extremo del espectro?

Vale la pena señalar que no estoy convencido de ningún LED en particular, pero experimenté con simplemente sostener la férula sobre un LXML-PWC2 : entran toneladas de luz (suficiente para mi aplicación) con iF ~ 400 mA. Esta sería una solución razonable, excepto que la eficiencia de la transferencia es terrible (obviamente), por lo 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 desechar por completo.

¿Podría especificar cuál es la aplicación, o al menos cuánta luz se requiere y qué dispersión se necesita al final de la visualización? Los modelistas ferroviarios a menudo usan fibra de emisión final fuertemente pegada 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 fuerte (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.
¿Cuántas fibras en el haz?
La aplicación es para iluminar un volumen pequeño: 1,5 cm^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 colocaría en menos del 10 %. Supongo que a partir de ahí podría retroceder en una respuesta y decir que @ iF = 400 mA el LED está generando aproximadamente 150 lúmenes. Si asumo una transferencia del 10%, podría llamarlo ~15 lúmenes de luz necesaria. Eso sí que es un botín bastante importante...
@ThePhoton Creo que hay aproximadamente 50 fibras en el paquete, pero lo verificaré dos veces.
Algunas 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.
@ Tut, estoy un poco confundido. ¿Está sugiriendo agregar termorretráctil alrededor del paquete de modo que sea 1000um para hacer exactamente qué? ¿Qué hace tener un paquete de 1 mm para simplificar el problema? El paquete se encuentra actualmente en una férula de acero inoxidable, que tiene un diámetro exterior de 0,125". Desafortunadamente, no se puede quitar, pero me intriga cómo un tamaño estándar podría simplificar las cosas.
Ah, claro. ¿Cuál es el siguiente tamaño estándar? No puedo imaginar que haya fibras de 0,125" de diámetro. ¿Me puede indicar la dirección de los accesorios estándar? ¿Tal vez pueda mecanizar algo que sea similar?
Mi experiencia es bastante limitada en fibra óptica, lo siento. Fue una mala sugerencia y la eliminaré.

Respuestas (2)

La fibra "típica" para 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 fibra óptica de plástico con núcleo de 900 um. Lo que hay por ahí para la iluminación, no estoy seguro. Claramente, no está 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 (en el mejor de los casos) lo que caiga sobre el núcleo. Con .87 NA probablemente te acercarás bastante a este ideal. Así que inventaré algunos números. Digamos que tiene un núcleo de 30 um en un revestimiento de 60 um. En general, la máxima eficiencia de acoplamiento que se puede esperar de la iluminación uniforme del extremo del haz de fibras es de 30 2/60 2 o 25 %.

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

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

Sume todo esto, (0,25) x (0,78) x (0,96), y obtendrá aproximadamente un 19 % de eficiencia de acoplamiento en el mejor de los casos. (Tendrá que 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, su mejor combinación de casos aún no será tan buena.

Gracias por la respuesta. ¿Hay una buena manera de medir la eficiencia del acoplamiento? Cuando estacioné menos del 10%, simplemente se basó en mi botín (inexacto) y la cantidad de luz que salía de la fibra en cuanto a la cantidad de luz que salía de la base/conexión. Es muy posible que esté por debajo del 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 ventajas y desventajas? ¡Gracias!
Medir la salida del haz de fibras debería ser bastante fácil si tiene el equipo adecuado. Simplemente acerque el paquete lo más posible a un fotodetector de área grande. Estos están fácilmente disponibles con diámetros muy por encima de 0,125". Medir la salida del LED en sí mismo 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.
Los sensores de grado de instrumento de este tipo (y la electrónica del medidor para leer la respuesta, calibrados en uW) están disponibles en compañías como Newport, ThorLabs, etc. Si desea hacerlo con un presupuesto ajustado, no estoy seguro de dónde exactamente. para llevar.
¡Muchas gracias por la información! ¿Alguna sugerencia para usar una lente solo como comparación con el acoplamiento mecánico recto?

Bueno, su elección de un LED blanco es la peor elección posible que podría hacer, a menos que simplemente necesite 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 área de superficie, en comparación con el LED desnudo de un LED de colores.

Una lente no va a ayudar mucho, a menos que pueda obtener un LED de troquel desnudo sin cables de conexión que se interpongan 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 que realmente funcione correctamente. Tendría que enfocar una imagen real de la matriz desnuda, en el extremo del paquete de fibras. Pero nunca se puede conseguir que la luminancia de la imagen supere la de la fuente. (prohibición de la segunda ley).

La mejor apuesta (asumiendo que realmente tiene que tener esa luz blanca), es encontrar un pequeño LED de superficie plana (como un chip) y pegarlo en el extremo del paquete de fibra con un pegamento transparente, con el espacio más pequeño posible entre la fibra y el led

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 el bien de adherirlo? En términos generales, tienen ángulos de dispersión mucho más amplios (así que supongo que se dirige menos luz hacia la fibra).
Bueno, dos cosas impiden que la luz entre en su paquete de fibras. Uno es el área superficial de la fibra (núcleo) y el otro es la apertura numérica (NA) de las fibras. Si U es el ángulo máximo de incidencia sobre el núcleo, que se puede transmitir, y H es el diámetro del núcleo, la cantidad NHSin(U) es invariante bajo todas las transformaciones ópticas. Se llama teorema del pecado óptico o, a veces, invariante de Lagrange. La única forma de obtener más luz es aumentar la radiación (o luminancia) de la fuente. Una lente no puede hacer que una lente de bola sea mala debido a las aberraciones que pierden más
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 entre en el paquete: la dirección de la luz en relación con el paquete. Después de todo, si giro el LED 180 grados desde el paquete, entonces entra cero luz sin importar el área de superficie/NA. No entiendo por qué una lente no puede ayudar: si 2 LED emiten la misma cantidad de fotones, pero uno los emite en un área más pequeña que los vatios / m ^ 2 en el caso del área más pequeña es> que el área grande caso. ¿No puede una lente ayudar a enfocar la luz en un punto más pequeño (por ejemplo, mi fibra)?
Quizás no entiendo esto, pero consulte las preguntas frecuentes de edmuds optics "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/…
¿Cuáles son las ventajas y desventajas de las diversas opciones que acoplan un LED a una fibra óptica?
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