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

Les télescopes sont les grands yeux de l'humanité, nous permettant de scruter les recoins les plus profonds de l'univers. Pour voir les objets les plus faibles et les plus lointains, les astronomes cherchent depuis longtemps à construire des instruments dotés de miroirs toujours plus grands. Cependant, la construction d'un miroir unique et massif est incroyablement difficile et coûteuse. Une approche plus flexible consiste à construire un télescope modulaire, qui combine la lumière de plusieurs miroirs plus petits et séparés en un seul faisceau puissant. Le défi réside dans la manière de collecter cette lumière et de la fusionner sans en perdre une partie. Par le passé, les scientifiques tentaient souvent de compresser la lumière provenant de ces vues larges et floues dans des fibres monomodes très fines, mais la turbulence de l'atmosphère terrestre brouille tellement la lumière qu'elle ne peut pas entrer dans des canaux aussi étroits sans systèmes de correction coûteux. Une idée plus récente implique l'utilisation d'un dispositif appelé lanterne photonique, qui agit comme un régulateur de trafic pour la lumière, la guidant de manière fluide de plusieurs chemins vers un seul. Bien que ces dispositifs aient été utilisés pour diviser la lumière en de nombreux chemins, ils n'avaient pas été utilisés avec succès pour combiner plusieurs faisceaux de lumière en un seul faisceau plus large pour l'astronomie jusqu'à présent.

Une équipe de chercheurs a maintenant fait la démonstration de la première version fonctionnelle d'une lanterne photonique multimode-vers-multimode conçue spécifiquement pour combiner la lumière de plusieurs fibres larges en une seule. Au lieu de tenter de forcer la lumière dans un canal minuscule et restrictif, leur dispositif prend la lumière de sept fibres d'entrée distinctes et les fusionne en un guide d'ondes unique et plus large. L'équipe a construit ces dispositifs en utilisant un processus qui réduit progressivement la taille des sept fibres ensemble, les faisant fondre en une structure unique et solide où la lumière peut voyager comme un faisceau unifié. Ils ont testé ces nouvelles lanternes en projetant de la lumière à travers elles à différentes couleurs, mesurant la quantité de lumière qui parvenait de l'entrée à la sortie. Les résultats ont été frappants : les dispositifs ont permis à plus de 90 pour cent de la lumière de passer avec très peu de perte. Cette haute efficacité prouve que la lumière circule de manière fluide à travers la transition, restant confinée à l'intérieur de la nouvelle structure combinée plutôt que de s'échapper.

Les chercheurs ont construit ces lanternes pour soutenir le télescope MARCOT-Pathfinder, un projet qui opère actuellement à l'Observatoire de Calar Alto en Espagne. Ce télescope est composé de sept tubes individuels, chacun collectant la lumière du ciel. Pour fonctionner efficacement, le système avait besoin d'un moyen de fusionner la lumière de tous les sept tubes en un flux unique qui pourrait être alimenté vers un spectrographe à haute résolution. L'équipe a sélectionné des fibres d'entrée avec un diamètre de cœur de 25 micromètres, une taille choisie pour capturer une vue large du ciel, soit environ deux fois la taille du flou typique causé par la turbulence atmosphérique. Ils ont fusionné ces sept fibres en une seule fibre de sortie avec un diamètre de cœur de 50 micromètres. En calculant soigneusement le nombre de chemins de lumière, ou modes, que chaque fibre pouvait transporter, ils se sont assurés que la fibre de sortie était assez grande pour contenir toute la lumière provenant des sept entrées sans en forcer aucune à sortir.

Pour vérifier que leur conception fonctionnait, l'équipe a mesuré les performances de quatre lanternes différentes à diverses longueurs d'onde, incluant la lumière verte à 520 nanomètres et la lumière rouge à 685 nanomètres. Ils ont utilisé deux méthodes de test différentes pour s'assurer de l'exactitude de leurs résultats. Dans une méthode, ils ont mesuré la lumière avant et après le raccordement de la lanterne à d'autres fibres, tandis que dans l'autre, ils ont comparé la sortie directement à une référence. À travers tous les tests, les lanternes ont systématiquement délivré des efficacités supérieures à 90 pour cent. Les seules exceptions étaient deux ports spécifiques sur le tout premier dispositif qu'ils ont construit, où le processus de fabrication n'était pas encore totalement perfectionné. Même dans ces cas, la performance est restée robuste. L'équipe a également observé que la lumière sortant du dispositif formait une forme distincte de fleur, confirmant que les sept cœurs séparés avaient réussi à fusionner en une région de guidage unique et cohérente.

Ce succès marque une étape importante pour les concepts de télescopes modulaires. En prouvant que la lumière peut être combinée à partir de plusieurs fibres larges en une seule fibre large avec une perte minimale, les chercheurs ont levé un obstacle majeur à la construction de télescopes évolutifs et rentables. Leur travail montre que de tels systèmes ne nécessitent pas d'équipements complexes et coûteux pour corriger le flou atmosphérique avant que la lumière n'entre dans l'instrument. Au lieu de cela, la lanterne elle-même gère la combinaison de manière efficace, préservant la quantité totale de lumière collectée. Bien que l'équipe note que les travaux futurs se concentreront sur la standardisation du processus de fabrication et l'encapsulage des dispositifs pour les conditions difficiles d'un observatoire, les résultats actuels confirment que cette technologie est prête à aider les astronomes à construire la prochaine génération de géants yeux modulaires sur le ciel.