Un equipo del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) ha probado una nueva técnica capaz de identificar con rapidez las deformaciones que sufre la luz al atravesar la atmósfera terrestre. El sistema combina una fibra óptica de apenas un centímetro con técnicas de inteligencia artificial y podría contribuir en el futuro al desarrollo de sistemas de óptica adaptativa más compactos y sencillos para mejorar la calidad de las observaciones astronómicas.
El desarrollo ha sido realizado por el Laboratorio para la Innovación en Optomecánica (LIOM) en el marco del proyecto CELESTE. La tecnología convierte las distorsiones de la luz en una especie de huella luminosa que posteriormente interpreta una red neuronal para determinar cómo se ha deformado la luz antes de llegar al instrumento de medida.
Todo el proceso puede realizarse en apenas unos milisegundos, una velocidad especialmente relevante en astronomía porque la atmósfera cambia continuamente y cualquier sistema de corrección debe ser capaz de reaccionar prácticamente en tiempo real.
Por qué la atmósfera distorsiona las imágenes de los telescopios
La luz procedente de las estrellas y otros objetos astronómicos llega a la Tierra prácticamente sin deformaciones, pero al atravesar la atmósfera encuentra pequeñas variaciones en las propiedades del aire que modifican continuamente su trayectoria.
En óptica, la forma que adopta la luz al propagarse se describe mediante su frente de onda. La turbulencia atmosférica deforma ese frente de onda y provoca que las imágenes astronómicas obtenidas desde tierra pierdan nitidez.
Para compensar este efecto, los grandes telescopios utilizan sistemas de óptica adaptativa, una tecnología que mide las distorsiones y las corrige continuamente mediante espejos deformables capaces de modificar ligeramente su forma.
El problema es que, en los sistemas convencionales, el sensor que mide las deformaciones y la cámara científica no siempre reciben exactamente la misma luz siguiendo el mismo recorrido óptico. Esto puede introducir pequeñas diferencias adicionales que limitan la precisión de la corrección.
La cuestión resulta especialmente importante cuando se intenta observar objetos muy débiles junto a otros mucho más brillantes, como ocurre en la búsqueda y estudio de exoplanetas.
La propuesta desarrollada por el equipo del IAC aborda este problema midiendo las distorsiones directamente a partir de la luz que llega al lugar donde se forma la imagen.
Una fibra óptica de un centímetro convierte las distorsiones en una “huella”
La nueva técnica utiliza una fibra óptica multimodo muy corta, de aproximadamente un centímetro. Este tipo de fibra permite que la luz viaje simultáneamente por varios recorridos internos.
Cuando esos recorridos vuelven a combinarse a la salida de la fibra, producen un patrón luminoso característico que cambia en función de cómo había llegado deformada la luz.
La reducida longitud de la fibra resulta fundamental. El equipo ha comprobado mediante simulaciones y pruebas de laboratorio que, cuando es suficientemente corta, conserva mejor la información necesaria para diferenciar unas distorsiones de otras.
Esta característica tiene especial importancia en astronomía porque, a diferencia de la luz muy controlada de un láser de laboratorio, la luz procedente de las estrellas contiene una gama de longitudes de onda.
Auxiliadora Padrón-Brito, investigadora del IAC y de la Universidad de La Laguna (ULL) y primera autora del estudio, explica que “la fibra convierte las deformaciones de la luz en un patrón que podemos leer como una huella. Lo interesante es que conseguimos conservar esa información utilizando un elemento extremadamente sencillo y compacto, lo que abre la posibilidad de desarrollar sensores más fáciles de integrar en futuros instrumentos”.
El sistema permite distinguir deformaciones que pueden parecer iguales
Uno de los problemas que deben resolver los sensores de frente de onda es que determinados tipos de deformaciones pueden producir imágenes prácticamente idénticas aunque las deformaciones tengan características opuestas.
El estudio muestra que el paso de la luz por la fibra óptica corta ayuda a romper esa semejanza. Los diferentes recorridos que sigue la luz dentro de la fibra hacen que deformaciones que anteriormente podían resultar indistinguibles produzcan huellas diferentes a la salida.
El equipo comprobó este comportamiento utilizando como ejemplo el desenfoque, una de las deformaciones ópticas más conocidas.
Con una fibra corta, el sistema mantenía información suficiente para diferenciar situaciones que podían resultar ambiguas cuando se observaban únicamente a través de la imagen. Cuando la fibra era mucho más larga, esta capacidad se reducía notablemente.
Este resultado constituye una de las claves del nuevo concepto de sensor, ya que permite recuperar información que otros métodos que trabajan directamente sobre la imagen pueden tener dificultades para distinguir.
Una red neuronal interpreta la huella de la luz
Una vez obtenida la huella luminosa, el siguiente desafío consiste en determinar qué deformaciones ha sufrido la luz.
Para ello, el equipo entrenó una red neuronal convolucional, un algoritmo de aprendizaje automático capaz de aprender la relación entre miles de patrones de luz diferentes y las distorsiones que los habían producido.
En las simulaciones, la red aprendió a reconocer diez tipos básicos de deformaciones ópticas y fue capaz de reconstruirlas con una elevada precisión. Además, cada estimación requiere apenas unos milisegundos.
“La atmósfera está cambiando continuamente, así que no basta con medir bien una distorsión: hay que hacerlo lo suficientemente rápido como para poder reaccionar antes de que las condiciones vuelvan a cambiar”, explica Natalia Arteaga-Marrero, investigadora del IAC y de la Universidad de La Laguna (ULL) y coautora del trabajo. “Los resultados muestran que esta combinación de fibra óptica y aprendizaje automático tiene potencial para trabajar en esas escalas de tiempo”.
En desarrollos posteriores, esta capacidad podría permitir integrar el sensor en un sistema de óptica adaptativa capaz de medir continuamente las deformaciones de la luz y enviar esa información a un espejo deformable encargado de compensarlas.
Un sensor más compacto para la óptica adaptativa
Frente a otros conceptos de sensores de frente de onda, la solución propuesta destaca por la sencillez de los elementos que necesita: una pequeña sección de fibra óptica, algunos componentes para formar la imagen, una cámara y un sistema de procesamiento basado en aprendizaje automático.
La fibra es además un elemento pasivo, compacto y de bajo coste. Su reducida longitud podría facilitar que el dispositivo se mantenga estable frente a vibraciones o pequeños movimientos, una cuestión importante en un entorno de observatorio.
El estudio plantea también que un mejor control de la temperatura podría ayudar a conservar la calibración del sistema durante periodos más largos. Esta tarea resulta más sencilla gracias a la corta longitud de la fibra.
Otra posibilidad que abre este concepto es utilizar la misma señal para obtener dos tipos de información: conocer cómo se ha deformado la luz y recuperar al mismo tiempo la propia imagen astronómica.
De esta forma, la medida de las distorsiones y la observación científica podrían compartir el mismo recorrido óptico, reduciendo posibles errores asociados al uso de caminos diferentes.
La tecnología también podría aplicarse a las comunicaciones ópticas
Aunque el desarrollo se plantea principalmente en el contexto de la instrumentación astronómica, la técnica podría tener aplicaciones futuras en las comunicaciones ópticas en espacio libre.
Estos sistemas transmiten información mediante haces de luz que viajan a través de la atmósfera y que también sufren los efectos de la turbulencia. Medir y compensar rápidamente esas distorsiones podría ayudar a mejorar la calidad y la eficiencia de los enlaces.
El estudio plantea asimismo posibles aplicaciones futuras en comunicaciones ópticas cuánticas, utilizando para las mediciones un canal de referencia adecuado.
El sensor todavía debe probarse en observaciones astronómicas reales
Los resultados presentados constituyen todavía una demostración de viabilidad de la técnica. Parte del comportamiento de la fibra se ha comprobado experimentalmente en laboratorio y, más recientemente, las investigadoras han demostrado también de forma experimental que el sistema puede identificar mediante aprendizaje automático las deformaciones introducidas en la luz.
Esta prueba reproduce en condiciones de laboratorio el funcionamiento que hasta entonces se había validado principalmente mediante simulaciones.
Los siguientes pasos deberán incluir pruebas experimentales más completas, la integración del sensor con un sistema real de corrección y la comprobación de su funcionamiento continuo.
El equipo prevé estudiar además su rendimiento ante distorsiones más complejas, mejorar la estabilidad del dispositivo durante periodos largos y explorar otras geometrías de fibras y guías de onda.
Una de las etapas más relevantes será probar finalmente el sistema en condiciones reales de observación astronómica.
Un desarrollo del IAC dentro del proyecto CELESTE
El trabajo se integra en CELESTE, un proyecto del Instituto de Astrofísica de Canarias orientado al desarrollo de nuevas capacidades tecnológicas y de instrumentación avanzada.
En este contexto, la participación del Laboratorio para la Innovación en Optomecánica (LIOM) contribuye al desarrollo de soluciones que combinan óptica, fotónica, instrumentación y machine learning para abordar nuevos retos científicos y tecnológicos.
El trabajo ha sido publicado en la revista científica Optics Express.
