Was sind die Kompromisse für die verschiedenen Optionen, mit denen eine LED an eine Glasfaser gekoppelt wird?

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Ich versuche, eine weiße LED mit einem Faserbündel zu koppeln, das aus mehreren 30-uM-Silica-Fasern besteht. Der Bündeldurchmesser liegt in der Größenordnung von 0,5 mm. Die NA der Faser beträgt 0,87 und das gesamte Bündel befindet sich in einer Edelstahlzwinge mit einem Durchmesser von 0,125 Zoll. Ich habe verschiedene Kopplungsmethoden gelesen - von einer Kugellinse bis zum direkten Kleben der Faser über die LED sterben.

Ich bin gespannt, ob jemand Erfahrung damit hat. Kann jemand die Vor- und Nachteile der verschiedenen Methoden beschreiben? Sind die wichtigsten Kompromisse zwischen Kosten und Übertragungseffizienz? Wenn ja, welche Methoden befinden sich an welchem ​​Ende des Spektrums?

Es ist erwähnenswert, dass ich keine bestimmte LED verkauft habe, aber ich habe versucht , die Ferrule einfach über eine LXML-PWC2 zu halten - mit iF ~ 400mA kommt Tonnen Licht herein (genug für meine Anwendung). Dies wäre eine vernünftige Lösung, außer dass die Effizienz der Übertragung (offensichtlich) schrecklich ist und ich mehr Strom verbrauchen muss, als ich möchte. Das Ergebnis ist ein ziemlich großer Kühlkörper, den ich alle zusammen schrumpfen oder wegwerfen möchte.

Doov
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Können Sie angeben, um welche Anwendung es sich handelt oder zumindest wie viel Licht benötigt wird und welche Streuung am Betrachtungsende erforderlich ist? Modelleisenbahner verwenden häufig endemittierende Fasern, die fest auf den Kopf einer diskreten 3-mm-LED mit Linse geklebt sind, oder sogar eine SMD-LED mit kleinem Winkel, wobei ein transparenter Kleber und eine enge Verbindung verwendet werden (keine Luft an der Verbindungsstelle). Am Ausgangsende bildet ein in die Spitze gepresster Lötkolben einen kleinen Pilz, der gut Licht emittiert.
Anindo Ghosh
Wie viele Fasern enthält das Bündel?
Das Photon
Die Anwendung besteht darin, ein kleines Volumen zu beleuchten - 1,5 cm ^ 3. Ich weiß nicht wirklich, wie ich die Lichtmenge angeben soll, die ich brauche, außer qualitativ, um zu sagen: "Das sieht gut aus." Frustrierend, ich weiß ... Mit der Hochleistungs-LED bekomme ich ungefähr die richtige Menge Licht heraus. Wenn ich die Effizienz des Transfers erraten müsste, würde ich ihn mit weniger als 10% parken. Ich nehme an, von dort aus könnte ich auf eine Antwort zurückkommen und sagen, dass @ iF = 400 mA die LED ungefähr 150 Lumen leistet. Wenn ich von einer Übertragung von 10% ausgehe, könnte ich es ~ 15 Lumen des erforderlichen Lichts nennen. Das ist allerdings ein ziemlich großer
Beute
@ThePhoton Ich glaube, es gibt ungefähr 50 Fasern im Bündel, aber ich werde es noch einmal überprüfen.
Doov
Einige Klarstellungen - es gibt zwar ~ 50 Fasern, aber die NA ist höher als ich dachte - .87. Zusätzlich ist der Durchmesser jeder Faser kleiner als ich dachte - 30 uM.
Doov

Antworten:

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"Typische" Fasern für die Kommunikation haben einen Durchmesser von 9, 50 oder 62,5 um im Kern, aber es gibt eine 125-um-Ummantelung, die auch erforderlich ist, damit die Faser funktioniert. Es gibt auch 900 um Kern Kunststoff optische Faser. Was da draußen zur Beleuchtung ist, weiß ich nicht genau. Offensichtlich arbeiten Sie nicht mit einem der Typen, mit denen ich vertraut bin.

Entscheidend ist jedoch, dass der Kern kleiner als der Mantel ist. Und das in die Faser eingekoppelte Licht ist (im besten Fall) das, was auf den Kern fällt. Mit .87 NA kommen Sie diesem Ideal wahrscheinlich ziemlich nahe. Also werde ich nur ein paar Zahlen erfinden. Angenommen, Sie haben einen 30-um-Kern in einer 60-um-Verkleidung. Insgesamt ist die maximale Kopplungseffizienz Sie von gleichmäßig Beleuchten des Endes des Faserbündels erwarten könnten , ist , 30 2 /60 2 bzw. 25%.

Dann gibt es einen Faktor für die Packungsdichte runder Objekte in einem Bereich (die Lücken zwischen den Fasern im Bündel), der meiner Meinung nach im besten Fall etwa 78% beträgt.

Und ein Reflexionsverlust von etwa 4% für Licht, das aus der Luft in das Glas eintritt.

Addieren Sie all dies, (.25) x (.78) x (.96), und Sie haben eine Best-Case-Kopplungseffizienz von etwa 19%. (Sie müssen dies neu berechnen und den richtigen Faktor für den ersten Term kennen.)

Wenn Sie sich dem nähern, würde ich sagen, dass es Ihnen tatsächlich ziemlich gut geht.

Natürlich würde es nicht schaden, eine LED zu finden, die in einem schmaleren Kegel statt über der Hälfte des gesamten Raums emittiert, oder sogar eine Art Linse hinzuzufügen, um das Licht auf den Bereich des Faserbündels zu fokussieren. Aber im Allgemeinen wird Ihre Best-Case-Kopplung immer noch nicht so toll sein.

Das Photon
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Danke für die Antwort. Gibt es eine gute Möglichkeit, die Kopplungseffizienz zu messen? Wenn ich weniger als 10% des Balls geparkt habe, beruhte dies einfach auf meinem (ungenauen) Beute und darauf, wie viel Licht aus der Faser austrat und wie viel Licht aus der Basis / Verbindung austrat. Es ist durchaus möglich, dass ich bei etwa 3% bin. In diesem Fall wären 19% eine ziemliche Verbesserung - zumindest könnte ich iF auf der Diode senken und etwas Wärme verlieren. Welche Art von Linsenlösungen gibt es und welche Kompromisse gibt es? Vielen Dank!
Doov
Das Messen der Leistung des Faserbündels sollte ziemlich einfach sein, wenn Sie das richtige Zahnrad haben. Bringen Sie das Bündel einfach so nah wie möglich an einen großflächigen Fotodetektor. Diese sind mit Durchmessern weit über 0,125 Zoll leicht erhältlich. Das Messen der Leistung der LED selbst ist schwieriger. Wenn Sie einen ausreichend großen Fotodetektor haben und ihn nahe genug an der LED halten, erhalten Sie wahrscheinlich eine vernünftige Schätzung der insgesamt verfügbare Leistung.
The Photon
Sensoren dieser Art (und die in uW kalibrierte Zählerelektronik zum Ablesen der Reaktion) sind von Unternehmen wie Newport, ThorLabs usw. erhältlich. Wenn Sie dies mit einem knappen Budget tun möchten, weiß ich nicht genau, wo gehen.
Das Photon
Vielen Dank für die Info! Irgendwelche Vorschläge für ein Objektiv, das nur als Vergleich zur geraden mechanischen Kopplung verwendet werden soll?
Doov
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Nun, Ihre Wahl einer weißen LED ist die schlechteste Wahl, die Sie treffen könnten, es sei denn, Sie müssen lediglich weißes Licht für Ihre Anwendung haben. Der Grund dafür ist, dass weiße LEDs eine deutlich geringere Leuchtdichte aufweisen als farbige LEDs, da das Licht von einem Leuchtstoff mit großer Oberfläche emittiert wird, verglichen mit dem blanken LED-Chip einer farbigen LED.

Ein Objektiv wird nicht viel helfen, es sei denn, Sie können eine blanke Chip-LED ohne Bonddrähte erhalten, die der Optik im Weg steht, und es wird Ihnen schwer fallen, ein ausreichend kleines Objektiv mit einer ausreichend großen Betriebs-NA und niedrig genug zu finden Aberrationen, um tatsächlich richtig zu funktionieren. Sie müssten ein reales Bild des blanken Stempels auf das Ende des Faserbündels fokussieren. Die Luminanz des Bildes kann jedoch niemals die der Quelle überschreiten. (Verbot des zweiten Gesetzes).

Die beste Wahl (vorausgesetzt, Sie müssen wirklich dieses weiße Licht haben) besteht darin, eine kleine LED mit flacher Oberfläche (chipartig) zu finden und sie mit einem klaren Kleber auf das Ende des Faserbündels zu kleben, mit dem kleinstmöglichen Abstand zwischen der Faser und die LED.

user28555
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Ich brauche weißes Licht. Daher die weiße LED. Warum hilft ein Objektiv nicht? Mein Verständnis ist, dass eine Kugellinse für diese Anwendung keine schlechte Idee ist. Warum sollte eine flache LED besser sein? Nur um es einzuhalten? Im Allgemeinen haben sie viel größere Streuwinkel (daher würde ich weniger Licht annehmen, das auf die Faser gerichtet ist).
Doov
Nun, zwei Dinge verhindern, dass Licht in Ihr Faserbündel gelangt. Eine ist die Oberfläche der Faser (Kern) und die andere ist die numerische Apertur (NA) der Fasern. Wenn U der maximale Einfallswinkel auf den Kern ist, der übertragen werden kann, und H der Durchmesser des Kerns ist, ist die Größe NHSin (U) bei allen optischen Transformationen eine Invariante. Es wird der Satz der optischen Sünde oder manchmal die Lagrange-Invariante genannt. Die einzige Möglichkeit, mehr Licht hereinzulassen, besteht darin, die Strahlung (oder Luminanz) der Quelle zu erhöhen. Ein Objektiv kann nicht, dass ein
Kugellinse
Vielleicht verstehe ich nicht - warum kann eine Linse nicht helfen, Licht in die Faser zu kollimieren? Ich muss mir vorstellen, dass es eine dritte Sache gibt, die verhindert, dass Licht in das Bündel eindringt - die Richtung des Lichts relativ zum Bündel. Wenn ich die LED um 180 Grad vom Bündel drehe, geht kein Licht in die Oberfläche / NA. Ich verstehe nicht, warum ein Objektiv nicht helfen kann - Wenn 2 LEDs die gleiche Anzahl von Photonen emittieren, aber eine über eine kleinere Fläche als die Watt / m ^ 2 emittiert, ist dies im Fall einer kleineren Fläche> als die große Fläche Fall. Kann ein Objektiv nicht helfen, das Licht auf einen kleineren Punkt (z. B. meine Faser) zu fokussieren?
Doov
Vielleicht verstehe ich das nicht, aber lesen Sie die FAQ von edmuds optics. "Ich suche nach dem besten Weg, um die Lichtmenge von einer LED in eine Glasfaser zu maximieren. Was sind die besten Optionen für die Kopplung von LED und Glasfaser? "" edmundoptics.com/technical-resources-center/…
Doov