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

Telescopen zijn de grote ogen van de mensheid, die ons in staat stellen om in de diepste uithoeken van het universum te turen. Om de zwakste, meest verre objecten te kunnen zien, hebben astronomen lang gezocht naar manieren om instrumenten met steeds grotere spiegels te bouwen. Het construeren van een enkele, massieve spiegel is echter ongelooflijk moeilijk en duur. Een flexibelere aanpak houdt in dat men een modulaire telescoop bouwt, die het licht van verschillende kleinere, afzonderlijke spiegels combineert tot één krachtige bundel. De uitdaging ligt in de vraag hoe je dat licht kunt verzamelen en samenvoegen zonder er ook maar iets van te verliezen. In het verleden probeerden wetenschappers vaak het licht uit deze grote, wazige beelden in zeer dunne, single-mode vezels te persen, maar de turbulentie van de aardse atmosfeer verstrooit het licht zo sterk dat het niet in dergelijke smalle kanalen past zonder dure correctiesystemen. Een nieuwer idee houdt in dat er een apparaat wordt gebruikt dat een fotonische lantaarn wordt genoemd, die fungeert als een verkeersregelaar voor licht, door het licht soepel van vele paden naar één pad te leiden. Hoewel deze apparaten zijn gebruikt om licht te splitsen in vele paden, waren ze tot nu toe nog niet succesvol gebruikt om meerdere lichtbundels samen te voegen tot één enkele, grotere bundel voor de astronomie.

Een team van onderzoekers heeft nu de eerste werkende versie gedemonstreerd van een multimode-naar-multimode fotonische lantaarn, die specifiek is ontworpen om licht van verschillende grote vezels samen te voegen tot één. In plaats van te proberen het licht in een kleine, beperkende kanaal te dwingen, neemt hun apparaat licht van zeven afzonderlijke invoervezels en versmelt deze tot één enkele, grotere uitvoerv waveguide. Het team heeft deze apparaten gebouwd met behulp van een proces waarbij de zeven vezels langzaam naar elkaar toe wordt verjongd, waardoor ze samensmelten tot een enkele, solide structuur waar het licht als één verenigde bundel kan reizen. Ze testten deze nieuwe lantaarns door licht in verschillende kleuren doorheen te schijnen en te meten hoeveel licht er van de ingang naar de uitgang kwam. De resultaten waren opmerkelijk: de apparaten lieten meer dan 90 procent van het licht door met zeer weinig verlies. Deze hoge efficiëntie bewijst dat het licht soepel door de overgang beweegt en binnen de nieuwe, gecombineerde structuur blijft, in plaats van eruit te lekken.

De onderzoekers hebben deze lantaarns geconstrueerd om de MARCOT-Pathfinder telescoop te ondersteunen, een project dat momenteel werkt bij het Calar Alto Observatorium in Spanje. Deze telescoop bestaat uit zeven individuele buizen, die elk licht van de hemel opvangen. Om effectief te werken, had het systeem een manier nodig om het licht van alle zeven buizen samen te voegen tot een enkele stroom die naar een hogeresolutie spectrograaf gevoerd kon worden. Het team koos voor invoervezels met een kerndiameter van 25 micrometer, een grootte die is gekozen om een breed deel van de hemel te vangen, ongeveer twee keer de omvang van de typische vervaging veroorzaakt door atmosferische turbulentie. Ze hebben deze zeven vezels samengesmolten tot een enkele uitvoervezel met een kerndiameter van 50 micrometer. Door nauwkeurig te berekenen hoeveel lichtpaden, of modi, elke vezel kon dragen, hebben ze ervoor gezorgd dat de uitvoervezel groot genoeg was om al het licht dat van de zeven invoeren kwam te bevatten zonder er enig deel van naar buiten te dwingen.

Om te verifiëren dat hun ontwerp werkte, mat het team de prestaties van vier verschillende lantaarns bij verschillende golflengten, waaronder groen licht bij 520 nanometer en rood licht bij 685 nanometer. Ze gebruikten twee verschillende testmethoden om ervoor te zorgen dat hun resultaten nauwkeurig waren. In de ene methode maten ze het licht vóór en na het aan elkaar lassen van de lantaarn aan andere vezels, terwijl ze in de andere methode de uitvoer direct vergeleken met een referentie. In alle tests leverden de lantaarns consequent efficiënties boven de 90 procent. De enige uitzonderingen waren twee specifieke poorten op het allereerste apparaat dat ze bouwden, waar het fabricageproces nog niet volledig verfijnd was. Zelfs in die gevallen bleef de prestatie robuust. Het team observeerde ook dat het licht dat het apparaat verliet een duidelijke bloemvormige vorm aannam, wat bevestigde dat de zeven afzonderlijke kernen succesvol waren samengevoegd tot een enkele, coherente geleidingsregio.

Dit succes markeert een belangrijke stap voorwaarts voor modulaire telescoopconcepten. Door te bewijzen dat licht met minimaal verlies kan worden gecombineerd van meerdere grote vezels naar één enkele grote vezel, hebben de onderzoekers een belangrijke barrière weggenomen voor het bouwen van schaalbare, kosteneffectieve telescopen. Hun werk laat zien dat dergelijke systemen geen complexe, dure apparatuur vereisen om atmosferische vervaging te corrigeren voordat het licht het instrument binnengaat. In plaats daarvan handelt de lantaarn zelf de combinatie efficiënt af, waardoor de totale hoeveelheid verzamelde licht behouden blijft. Hoewel het team opmerkt dat toekomstig werk zich zal richten op het consistenter maken van het fabricageproces en het verpakken van de apparaten voor de zware omstandigheden van een observatorium, bevestigen de huidige resultaten dat deze technologie klaar is om astronomen te helpen bij het bouwen van de volgende generatie gigantische, modulaire ogen aan de hemel.