First demonstration of a multimode-to-multimode photonic lantern for astronomy

Teleskope sind die großen Augen der Menschheit, die es uns ermöglichen, in die tiefsten Winkel des Universums zu blicken. Um die schwächsten, am weitesten entfernten Objekte zu sehen, versuchen Astronomen seit langem, Instrumente mit immer größeren Spiegeln zu bauen. Der Bau eines einzelnen, massiven Spiegels ist jedoch unglaublich schwierig und teuer. Ein flexiblerer Ansatz besteht darin, ein modulares Teleskop zu bauen, das das Licht von mehreren kleineren, separaten Spiegeln zu einem einzigen, leistungsstarken Strahl kombiniert. Die Herausforderung besteht darin, dieses Licht zu sammeln und es zu vereinen, ohne dabei etwas davon zu verlieren. In der Vergangenheit versuchten Wissenschaftler oft, das Licht aus diesen großen, verschwommenen Ansichten in sehr dünne, Single-Mode-Fasern zu pressen, aber die Turbulenzen der Erdatmosphäre streuen das Licht so stark, dass es ohne teure Korrektursysteme nicht in solch schmale Kanäle passt. Eine neuere Idee beinhaltet die Verwendung einer Vorrichtung namens Photonic Lantern (photonische Laterne), die wie ein Verkehrskontrolleur für Licht fungiert und es sanft von vielen Pfaden in einen einzigen führt. Während diese Geräte bereits dazu verwendet wurden, Licht in viele Pfade aufzuspalten, wurden sie bis jetzt noch nicht erfolgreich eingesetzt, um mehrere Lichtstrahlen zu einem einzigen, größeren Strahl für die Astronomie zu kombinieren.

Ein Forschungsteam hat nun die erste funktionierende Version einer Multimode-zu-Multimode-Photonic-Lantern demonstriert, die speziell dafür entwickelt wurde, Licht aus mehreren großen Fasern zu einem einzigen, größeren Strahl zu kombinieren. Anstatt zu versuchen, Licht in einen winzigen, einschränkenden Kanal zu zwingen, nimmt ihr Gerät Licht von sieben separaten Eingangsfasern auf und verschmilzt sie zu einem einzigen, größeren Ausgangswellenleiter. Das Team baute diese Geräte mit einem Prozess, bei dem die sieben Fasern langsam zusammengeführt und zu einer einzigen, festen Struktur geschmolzen werden, in der das Licht als ein einheitlicher Strahl reisen kann. Sie testeten diese neuen Laternen, indem sie Licht verschiedener Farben hindurchschickten und maßen, wie viel Licht vom Eingang zum Ausgang gelangte. Die Ergebnisse waren beeindruckend: Die Geräte ließen mehr als 90 Prozent des Lichts mit sehr geringem Verlust passieren. Diese hohe Effizienz beweist, dass sich das Licht reibungslos durch den Übergang bewegt und dabei innerhalb der neuen, kombinierten Struktur bleibt, anstatt nach außen zu entweichen.

Die Forscher konstruierten diese Laternen, um das MARCOT-Pathfinder-Teleskop zu unterstützen, ein Projekt, das derzeit am Calar Alto Observatorium in Spanien betrieben wird. Dieses Teleskop besteht aus sieben einzelnen Rohren, die jeweils Licht vom Himmel sammeln. Um effektiv zu arbeiten, benötigte das System eine Möglichkeit, das Licht aus allen sieben Rohren zu einem einzigen Strom zusammenzuführen, der in einen hochauflösenden Spektrographen eingespeist werden konnte. Das Team wählte Eingangsfasern mit einem Kerndurchmesser von 25 Mikrometern, eine Größe, die gewählt wurde, um ein weites Sichtfeld des Himmels zu erfassen, was etwa der doppelt so großen Größe der typischen Unschärfe durch atmosphärische Turbulenzen entspricht. Sie verschmolzen diese sieben Fasern zu einer einzigen Ausgangsfaser mit einem Kerndurchmesser von 50 Mikrometern. Durch die sorgfältige Berechnung der Anzahl der Lichtpfade oder Moden, die jede Faser tragen konnte, stellten sie sicher, dass die Ausgangsfaser groß genug war, um das gesamte von den sieben Eingängen kommende Licht aufzunehmen, ohne einen Teil davon nach außen zu drücken.

Um zu verifizieren, dass ihr Design funktionierte, maß das Team die Leistung von vier verschiedenen Laternen bei verschiedenen Wellenlängen, einschließlich grünem Licht bei 520 Nanometern und rotem Licht bei 685 Nanometern. Sie verwendeten zwei verschiedene Testmethoden, um sicherzustellen, dass ihre Ergebnisse korrekt waren. In einer Methode maßen sie das Licht vor und nach dem Spleißen der Laterne an andere Fasern, während sie in der anderen das Ausgangssignal direkt mit einem Referenzwert verglichen. In allen Tests lieferten die Laternen konsistent Wirkungsgrade von über 90 Prozent. Die einzigen Ausnahmen waren zwei spezifische Anschlüsse an der allersten, von ihnen gebauten Vorrichtung, bei denen der Herstellungsprozess noch nicht vollständig verfeinert war. Selbst in diesen Fällen blieb die Leistung robust. Das Team beobachtete auch, dass das austretende Licht eine ausgeprägte blumenähnliche Form annahm, was bestätigte, dass die sieben separaten Kerne erfolgreich zu einer einzigen, kohärenten Leitregion verschmolzen waren.

Dieser Erfolg stellt einen bedeutenden Schritt nach vorn für modulare Teleskopkonzepte dar. Indem sie bewiesen haben, dass Licht von mehreren großen Fasern mit minimalem Verlust in eine einzige große Faser kombiniert werden kann, haben die Forscher eine große Barriere für den Bau skalierbarer, kostengünstiger Teleskope beseitigt. Ihre Arbeit zeigt, dass solche Systeme keine komplexen, teuren Geräte benötigen, um die atmosphärische Unschärfe zu korrigieren, bevor das Licht in das Instrument eintritt. Stattdessen übernimmt die Laterne selbst die Kombination effizient und bewahrt dabei die gesamte gesammelte Lichtmenge. Während das Team anmerkt, dass sich zukünftige Arbeiten darauf konzentrieren werden, den Herstellungsprozess konsistenter zu gestalten und die Geräte für die harten Bedingungen eines Observatoriums zu verpacken, bestätigen die aktuellen Ergebnisse, dass diese Technologie bereit ist, den Astronomen dabei zu helfen, die nächste Generation riesiger, modularer Augen am Himmel zu bauen.