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

I telescopi sono i grandi occhi dell'umanità, che ci permettono di scrutare negli angoli più profondi dell'universo. Per vedere gli oggetti più deboli e distanti, gli astronomi cercano da tempo di costruire strumenti con specchi sempre più grandi. Tuttavia, costruire un singolo specchio massiccio è incredibilmente difficile e costoso. Un approccio più flessibile consiste nel costruire un telescopio modulare, che combina la luce proveniente da diversi specchi più piccoli e separati in un unico fascio potente. La sfida risiede nel modo in cui raccogliere quella luce e fonderla senza perderne alcuna parte. In passato, gli scienziati hanno spesso cercato di comprimere la luce da queste viste ampie e sfocate in fibre singole a modalità singola molto sottili, ma la turbolenza dell'atmosfera terrestre la disperde così tanto che non può entrare in canali così stretti senza costosi sistemi di correzione. Una nuova idea prevede l'uso di un dispositivo chiamato lanterna fotonica, che agisce come un vigile urbano per la luce, guidandola fluidamente da molti percorsi verso uno solo. Sebbene questi dispositivi siano stati utilizzati per dividere la luce in molti percorsi, non erano ancora stati utilizzati con successo per combinare più fasci di luce in un unico fascio più grande per l'astronomia fino ad ora.

Un team di ricercatori ha ora dimostrato la prima versione funzionante di una lanterna fotonica da multimodo a multimodo progettata specificamente per combinare la luce da diverse fibre grandi in una sola fibra più grande. Inve di cercare di forzare la luce in un canale minuscolo e restrittivo, il loro dispositivo prende la luce da sette fibre di input separate e le fonde insieme in una singola guida d'onda di output più grande. Il team ha costruito questi dispositivi utilizzando un processo che rastrema lentamente le sette fibre l'una verso l'altra, fondendole in una singola struttura solida dove la luce può viaggiare come un unico fascio unificato. Hanno testato queste nuove lanterne facendo passare la luce attraverso di esse a diversi colori, misurando quanta luce passava dall'ingresso all'uscita. I risultati sono stati sorprendenti: i dispositivi hanno permesso a più del 90 percento della luce di passare con una perdita minima. Questa alta efficienza dimostra che la luce si muove fluidamente attraverso la transizione, rimanendo confinata all'interno della nuova struttura combinata invece di fuoriuscire.

I ricercatori hanno costruito queste lanterne per supportare il telescopio MARCOT-Pathfinder, un progetto che opera attualmente presso l'Osservatorio di Calar Alto in Spagna. Questo telescopio è composto da sette tubi individuali, ognuno dei quali raccoglie la luce dal cielo. Per funzionare efficacementamente, il sistema aveva bisogno di un modo per fondere la luce di tutti i sette tubi in un unico flusso che potesse essere alimentato in uno spettrografo ad alta risoluzione. Il team ha selezionato fibre di input con un diametro del nucleo di 25 micrometri, una dimensione scelta per catturare una vista ampia del cielo, circa il doppio della sfocatura tipica causata dalla turbolenza atmosferica. Hanno fuso queste sette fibre in una singola fibra di output con un diametro del nucleo di 50 micrometri. Calcolando attentamente il numero di percorsi di luce, o modalità, che ogni fibra poteva trasportare, si sono assicurati che la fibra di output fosse abbastanza grande da contenere tutta la luce proveniente dai sette input senza forzarne alcuna all'esterno.

Per verificare che il loro design funzionasse, il team ha misurato le prestazioni di quattro lanterne diverse a varie lunghezze d'onda, inclusa la luce verde a 520 nanometri e la luce rossa a 685 nanometri. Hanno utilizzato due diversi metodi di test per garantire l'accuratezza dei loro risultati. In un metodo, hanno misurato la luce prima e dopo la giunzione della lanterna con altre fibre, mentre nell'altro, hanno confrontato l'uscita direttamente con un riferimento. In tutti i test, le lanterne hanno costantemente garantito efficienze superiori al 90 percento. Le uniche eccezioni sono state due porte specifiche sul primissimo dispositivo costruito, dove il processo di produzione non era ancora del tutto raffinato. Anche in questi casi, la prestazione è rimasta robusta. Il team ha anche osservato che la luce in uscita dal dispositivo formava una distinta forma a fiore, confermando che i sette nuclei separati si erano fusi con successo in una singola regione di guida coerente.

Questo successo rappresenta un passo avanti significativo per i concetti di telescopio modulare. Dimostrando che la luce può essere combinata da molte fibre grandi in una singola fibra grande con una perdita minima, i ricercatori hanno rimosso una barriera fondamentale alla costruzione di telescopi scalabili e convenienti. Il loro lavoro mostra che tali sistemi non richiedono apparecchiature complesse e costose per correggere la sfocatura atmosferica prima che la luce entri nello strumento. Invece, la lanterna stessa gestisce la combinazione in modo efficiente, preservando la quantità totale di luce raccolta. Sebbene il team abbia osservato che il lavoro futuro si concentrerà nel rendere il processo di produzione più costante e nel confezionare i dispositivi per le condizioni difficili di un osservatorio, i risultati attuali confermano che questa tecnologia è pronta ad aiutare gli astronomi a costruire la prossima generazione di giganti occhi modulari sul cielo.