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

Los telescopios son los grandes ojos de la humanidad, permitiéndonos observar los rincones más profundos del universo. Para ver los objetos más tenues y distantes, los astrónomos han buscado durante mucho tiempo construir instrumentos con espejos cada vez más grandes. Sin embargo, construir un espejo único y masivo es increíblemente difícil y costoso. Un enfoque más flexible consiste en construir un telescopio modular, que combina la luz de varios espejos más pequeños y separados en un solo haz potente. El desafío radica en cómo recolectar esa luz y fusionarla sin perder nada de ella. En el pasado, los científicos a menudo intentaban comprimir la luz de estas vistas grandes y borrosas en fibras monomodo muy delgadas, pero la turbulencia de la atmósfera terrestre desordena la luz de tal manera que no puede caber en canales tan estrechos sin sistemas de corrección costosos. Una idea más reciente implica el uso de un dispositivo llamado linterna fotónica, que actúa como un director de tráfico para la luz, guiándola suavemente desde muchos caminos hacia uno solo. Si bien estos dispositivos se han utilizado para dividir la luz en muchos caminos, hasta ahora no se habían utilizado con éxito para combinar múltiples haces de luz en un solo haz más grande para la astronomía.

Un equipo de investigadores ha demostrado ahora la primera versión funcional de una linterna fotónica de multimodo a multimodo diseñada específicamente para combinar la luz de varias fibras grandes en una sola fibra más grande. En lugar de intentar forzar la luz en un canal diminuto y restrictivo, su dispositivo toma la luz de siete fibras de entrada separadas y las fusiona en una única guía de ondas más grande. El equipo construyó estos dispositivos utilizando un proceso que estreba gradualmente las siete fibras, fundiéndolas en una estructura única y sólida donde la luz pueda viajar como un haz unificado. Probaron estas nuevas linternas haciendo pasar luz a través de ellas en diferentes colores, midiendo cuánta luz pasaba desde la entrada hasta la salida. Los resultados fueron sorprendentes: los dispositivos permitieron que más del 90 por ciento de la luz pasara con muy poca pérdida. Esta alta eficiencia demuestra que la luz se mueve suavemente a través de la transición, manteniéndose confinada dentro de la nueva estructura combinada en lugar de filtrarse hacia afuera.

Los investigadores construyeron estas linternas para dar soporte al telescopio MARCOT-Pathfinder, un proyecto que opera actualmente en el Observatorio de Calar Alto en España. Este telescopio está compuesto por siete tubos individuales, cada uno de los cuales recolecta luz del cielo. Para funcionar eficazmente, el sistema necesitaba una forma de fusionar la luz de todos los siete tubos en un solo flujo que pudiera alimentar un espectrógrafo de alta resolución. El equipo seleccionó fibras de entrada con un diámetro de núcleo de 25 micrómetros, un tamaño elegido para capturar una vista amplia del cielo, aproximadamente el doble del tamaño del desenfoque típico causado por la turbulencia atmosférica. Fusionaron estas siete fibras en una única fibra de salida con un diámetro de núcleo de 50 micrómetros. Al calcular cuidadosamente el número de caminos de luz, o modos, que cada fibra podía transportar, se aseguraron de que la fibra de salida fuera lo suficientemente grande como para contener toda la luz proveniente de las siete entradas sin forzar nada de ella hacia afuera.

Para verificar que su diseño funcionaba, el equipo midió el rendimiento de cuatro linternas diferentes en diversas longitudes de onda, incluyendo la luz verde a 520 nanómetros y la luz roja a 685 nanómetros. Utilizaron dos métodos de prueba diferentes para asegurar que sus resultados fueran precisos. En un método, midieron la luz antes y después de empalmar la linterna con otras fibras, mientras que en el otro, compararon la salida directamente con una referencia. En todas las pruebas, las linternas entregaron consistentemente eficiencias superiores al 90 por ciento. Las únicas excepciones fueron dos puertos específicos en el primer dispositivo que construyeron, donde el proceso de fabricación aún no estaba completamente refinado. Incluso en estos casos, el rendimiento se mantuvo robusto. El equipo también observó que la luz que salía del dispositivo formaba una forma distintiva de flor, confirmando que los siete núcleos separados se habían fusionado con éxito en una única región de guía coherente.

Este éxito marca un paso significativo hacia adelante para los conceptos de telescopios modulares. Al demostrar que la luz puede combinarse desde varias fibras grandes en una sola fibra grande con una pérdida mínima, los investigadores han eliminado una barrera importante para la construcción de telescopios escalables y rentables. Su trabajo muestra que tales sistemas no requieren equipos complejos y costosos para corregir el desenfoque atmosférico antes de que la luz entre al instrumento. En su lugar, la propia linterna gestiona la combinación de manera eficiente, preservando la cantidad total de luz recolectada. Si bien el equipo señala que el trabajo futuro se centrará en hacer que el proceso de fabricación sea más consistente y en empaquetar los dispositivos para las duras condiciones de un observatorio, los resultados actuales confirman que esta tecnología está lista para ayudar a los astrónomos a construir la próxima generación de ojos gigantes y modulares en el cielo.