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

望远镜是人类伟大的眼睛，让我们得以窥探宇宙最深邃的角落。为了观测到最微弱、最遥远的天体，天文学家长期以来一直致力于建造具有更大反射镜的仪器。然而，制造单块巨大的反射镜既困难又昂贵。一种更灵活的方法是建造模块化望远镜，它将几块较小的独立反射镜收集到的光合并成一束强大的光束。挑战在于如何收集这些光并在合并过程中不损失任何光量。过去，科学家经常尝试将这些宽阔、模糊的视野中的光挤入极细的单模光纤中，但地球大气的湍流会使光线发生剧烈散射，导致如果不使用昂贵的校正系统，光就无法进入如此狭窄的通道。一个较新的想法是使用一种被称为“光子灯笼”（photonic lantern）的装置，它就像一个光的交通指挥员，引导光从许多路径平滑地汇聚到一条路径中。虽然这些装置此前已被用于将光分成多条路径，但直到现在，它们才首次被成功用于将多束光合并成一束更大的单一光束以用于天文学研究。

一支研究团队现在展示了第一个专门设计用于将来自几根大光纤的光合并为一根光纤的工作版“多模到多模”光子灯笼。该装置并非试图将光强行挤入微小且受限的通道，而是接收来自七根独立输入光纤的光，并将它们融合在一起，形成一个单一的、更大的输出波导。团队利用一种将七根光纤缓慢渐变收缩（tapering）在一起的过程制造了这些装置，将它们熔炼成一个单一的固体结构，使光可以在其中作为一个统一的光束进行传输。他们通过让不同颜色的光穿过这些新开发的灯笼来测试性能，测量有多少光从入口成功到达了出口。结果令人瞩目：这些装置允许超过90%的光通过，且损失极小。这种高效率证明了光在过渡过程中移动平稳，始终保持在新的组合结构之内，而不是泄露出去。

研究人员建造这些灯笼是为了支持MARCOT-Pathfinder望远镜，该项目目前正在西班牙的卡拉阿托天文台（Calar Alto Observatory）运行。该望远镜由七个独立的管状结构组成，每个管子负责收集来自天空的光。为了有效工作，系统需要一种方法将来自七个管子的光合并成一股单一的光流，以便输入到高分辨率光谱仪中。团队选择了芯径为25微米的光纤作为输入端，选择这个尺寸是为了捕捉更广阔的天空视野，其大小约为典型大气湍流造成的模糊程度的两倍。他们将这七根光纤熔合为一根芯径为50微米的输出光纤。通过精确计算每根光纤可以携带的光路径（或称模式）数量，他们确保了输出光纤足够大，能够容纳来自七个输入端的所有光，而不会迫使部分光溢出。

为了验证其设计的有效性，团队在包括520纳米绿光和685纳米红光在内的多种波长下测量了四种不同灯笼的性能。他们使用了两种不同的测试方法来确保结果的准确性。在第一种方法中，他们在将灯笼与其它光纤进行熔接前后测量光强；而在另一种方法中，他们直接将输出光与参考源进行对比。在所有测试中，灯笼始终保持90%以上的效率。唯一的例外是第一台设备上的两个特定端口，那是由于制造工艺尚未完全成熟所致。即便是在这些情况下，性能依然表现稳健。团队还观察到，从装置中射出的光形成了一个清晰的类花朵形状，这证实了那七个独立的纤芯已成功合并为一个单一且连贯的引导区域。

这一成功标志着模块化望远镜概念迈出了重要一步。通过证明光可以从多根大光纤合并到单根大光纤中且损失极小，研究人员消除了一个构建可扩展、高性价比望远镜的主要障碍。他们的工作表明，此类系统不需要复杂的、昂贵的设备来在光进入仪器前校正大气模糊。相反，灯笼本身就能高效地处理光线的合并，从而保留了收集到的总光量。尽管团队指出，未来的工作将侧重于提高制造工艺的一致性，并将设备封装以适应天文台严苛的环境条件，但目前的结果证实，这项技术已准备好助力天文学家建造下一代巨型模块化天空之眼。