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

Os telescópios são os grandes olhos da humanidade, permitindo-nos espreitar os cantos mais profundos do universo. Para ver os objetos mais tênues e distantes, os astrônomos há muito buscam construir instrumentos com espelhos cada vez maiores. No entanto, construir um único espelho massivo é incrivelmente difícil e caro. Uma abordagem mais flexível envolve a construção de um telescópio modular, que combina a luz de vários espelhos menores e separados em um único feixe poderoso. O desafio reside em como coletar essa luz e fundi-la sem perder nada dela. No passado, os cientistas frequentemente tentavam comprimir a luz dessas visões amplas e borradas em fibras de modo único muito finas, mas a turbulência da atmosfera terrestre embaralha tanto a luz que ela não consegue caber em canais tão estreitos sem sistemas de correção caros. Uma ideia mais recente envolve o uso de um dispositivo chamado lanterna fotônica, que atua como um diretor de tráfego para a luz, guiando-a suavemente de muitos camos para um só. Embora esses dispositivos tenham sido usados para dividir a luz em muitos caminhos, eles não haviam sido usados com sucesso para combinar múltiplos feixes de luz em um único feixe maior para a astronomia até agora.

Uma equipe de pesquisadores demonstrou agora a primeira versão funcional de uma lanterna fotônica de multimodo-para-multimodo projetada especificamente para combinar a luz de várias fibras grandes em uma única fibra maior. Em vez de tentar forçar a luz em um canal minúsculo e restritivo, o dispositivo deles pega a luz de sete fibras de entrada separadas e as funde em um único guia de onda maior. A equipe construiu esses dispositivos usando um processo que afunila lentamente as sete fibras, derretendo-as em uma única estrutura sólida onde a luz pode viajar como um feixe unificado. Eles testaram essas novas lanternas brilhando luz através delas em diferentes cores, medindo quanta luz passava da entrada para a saída. Os resultados foram impressionantes: os dispositivos permitiram que mais de 90 por cento da luz passasse com pouquíssima perda. Essa alta eficiência prova que a luz se move suavemente através da transição, permanecendo confinada dentro da nova estrutura combinada, em vez de vazar.

Os pesquisadores construíram essas lanternas para apoiar o telescópio MARCOT-Pathfinder, um projeto que opera atualmente no Observatório de Calar Alto, na Espanha. Este telescópio é composto por sete tubos individuais, cada um coletando luz do céu. Para funcionar efetivamente, o sistema precisava de uma maneira de fundir a luz de todos os sete tubos em um único fluxo que pudesse ser alimentado em um espectrógrafo de alta resolução. A equipe selecionou fibras de entrada com um diâmetro de núcleo de 25 micrômetros, um tamanho escolhido para capturar uma visão ampla do céu, aproximadamente o dobro do tamanho do borrão típico causado pela turbulência atmosférica. Eles fundiram essas sete fibras em uma única fibra de saída com um diâmetro de núcleo de 50 micrômetros. Ao calcular cuidadosamente o número de caminhos de luz, ou modos, que cada fibra poderia carregar, eles garantiram que a fibra de saída fosse grande o suficiente para conter toda a luz vinda das sete entradas sem forçá-la para fora.

Para verificar se o design funcionava, a equipe mediu o desempenho de quatro lanternas diferentes em vários comprimentos de onda, incluindo luz verde a 520 nanômetros e luz vermelha a 685 nanômetros. Eles usaram dois métodos de teste diferentes para garantir que seus resultados fossem precisos. Em um método, mediram a luz antes e depois de emendar a lanterna a outras fibras, enquanto no outro, compararam a saída diretamente com uma referência. Em todos os testes, as lanternas entregaram consistentemente eficiências acima de 90 por cento. As únicas exceções foram dois portos específicos no primeiríssimo dispositivo que construíram, onde o processo de fabricação ainda não estava totalmente refinado. Mesmo nesses casos, o desempenho permaneceu robusto. A equipe também observou que a luz saindo do dispositivo formava um formato distinto de flor, confirmando que os sete núcleos separados haviam se fundido com sucesso em uma única região de guia coerente.

Este sucesso marca um passo significativo para os conceitos de telescópios modulares. Ao provar que a luz pode ser combinada de várias fibras grandes em uma única fibra grande com perda mínima, os pesquisadores removeram uma barreira importante para a construção de telescópios escaláveis e de custo acessível. O trabalho deles mostra que tais sistemas não requerem equipamentos complexos e caros para corrigir o borrão atmosférico antes que a luz entre no instrumento. Em vez disso, a própria lanterna lida com a combinação de forma eficiente, preservando a quantidade total de luz coletada. Embora a equipe observe que o trabalho futuro se concentrará em tornar o processo de fabricação mais consistente e em embalar os dispositivos para as condições severas de um observatório, os resultados atuais confirmam que esta tecnologia está pronta para ajudar os astrônomos a construir a próxima geração de gigantes olhos modulares no céu.