Un equipo del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) ha probado una nueva técnica capaz de identificar con gran rapidez las deformaciones que sufre la luz al atravesar la atmósfera terrestre. El desarrollo, realizado por el Laboratorio para la Innovación en Optomecánica (LIOM) dentro del marco del proyecto CELESTE, podría contribuir en el futuro a crear sistemas de óptica adaptativa más compactos y sencillos para mejorar la calidad de las observaciones astronómicas.
La tecnología combina una fibra óptica de aproximadamente un centímetro de longitud con técnicas de inteligencia artificial. La fibra transforma las distorsiones de la luz en una especie de huella luminosa, que después puede ser interpretada por una red neuronal para determinar cómo se ha deformado la luz antes de llegar al instrumento de medida. El sistema realiza este proceso en apenas unos milisegundos, una rapidez especialmente importante porque la atmósfera cambia de forma continua y cualquier corrección debe hacerse prácticamente en tiempo real.
Corregir el efecto de la atmósfera
La luz procedente de estrellas y otros objetos astronómicos llega a la Tierra prácticamente sin deformaciones. Sin embargo, 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 hace que las imágenes astronómicas obtenidas desde tierra pierdan nitidez.
Para compensar este efecto, los grandes telescopios utilizan sistemas de óptica adaptativa, una tecnología capaz de medir esas distorsiones y corregirlas continuamente mediante espejos deformables que ajustan ligeramente su forma.
En los sistemas convencionales, el sensor que mide las deformaciones y la cámara científica no siempre reciben exactamente la misma luz a través del mismo recorrido óptico. Esto puede introducir pequeñas diferencias adicionales que limitan la precisión de la corrección, un problema 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 presentada por el equipo aborda este problema midiendo las distorsiones directamente a partir de la luz que llega al lugar donde se forma la imagen.
Una fibra de un centímetro como sensor
La nueva técnica utiliza una fibra óptica multimodo muy corta, de aproximadamente un centímetro. Este tipo de fibra permite que la luz viaje por varios recorridos internos al mismo tiempo. Cuando esos recorridos vuelven a combinarse a la salida, producen un patrón luminoso característico que cambia dependiendo de cómo hubiera llegado deformada la luz.
La longitud de la fibra resulta clave. 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. Esto es especialmente relevante en astronomía, ya que, 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: “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”.
Distinguir deformaciones que pueden parecer iguales
Algunos tipos de deformaciones plantean además una dificultad especial: pueden producir imágenes prácticamente idénticas aunque la deformación tenga características opuestas. Los sensores de frente de onda deben ser capaces de distinguirlas.
El estudio muestra que el paso de la luz por la fibra corta ayuda a romper esa semejanza. Los distintos recorridos que sigue la luz dentro de la fibra hacen que deformaciones que antes 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 que permitía diferenciar entre situaciones que, observadas únicamente en la imagen, podían resultar ambiguas. Cuando la fibra era mucho más larga, esa capacidad se reducía notablemente.
Este resultado es 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.
Inteligencia artificial para interpretar la huella de la luz
Una vez obtenida esa huella luminosa, el siguiente reto consiste en traducirla y determinar qué deformaciones ha sufrido la luz.
Para hacerlo, 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”.
Esta capacidad permitiría, en desarrollos posteriores, integrar el sensor en un sistema de óptica adaptativa que mida continuamente las deformaciones de la luz y envíe esa información a un espejo deformable encargado de compensarlas.
Un sistema más compacto y sencillo
Frente a otros conceptos de sensor 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 también que el dispositivo se mantenga estable frente a vibraciones o pequeños movimientos, una cuestión importante en un entorno de observatorio.
El estudio plantea igualmente que un mejor control de la temperatura podría ayudar a conservar la calibración del sistema durante periodos más largos. Esto también es más sencillo de hacer debido a la corta longitud de la fibra.
Otra de las posibilidades que abre el concepto es aprovechar la misma señal para obtener dos tipos de información: por un lado, conocer cómo se ha deformado la luz y, por otro, recuperar la propia imagen astronómica.
Esto permitiría que la medida de las distorsiones y la observación científica compartieran el mismo recorrido óptico, reduciendo posibles errores introducidos por utilizar caminos diferentes.
Aplicaciones más allá de la astronomía
Aunque el trabajo se plantea principalmente en el contexto de la instrumentación astronómica, la técnica podría tener también aplicaciones en 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. Poder medir y compensar esas distorsiones rápidamente podría ayudar a mejorar la calidad y eficiencia de los enlaces.
El estudio plantea asimismo posibles aplicaciones futuras en comunicaciones ópticas cuánticas, utilizando un canal de referencia adecuado para realizar las mediciones.
De la prueba de concepto a las observaciones 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 dado un paso más al demostrar 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 lo que hasta entonces se había validado principalmente mediante simulaciones.
Los siguientes pasos deberán incluir pruebas experimentales más completas, integrar el sensor con un sistema real de corrección y comprobar cómo se comporta cuando funciona de manera continua.
El equipo prevé estudiar también 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 etapa especialmente relevante será, finalmente, probar el sistema en condiciones reales de observación astronómica.
Un desarrollo en el marco de CELESTE
El trabajo se integra en CELESTE, 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 con el título Focal-plane wavefront sensing with narrowband light using a short multi-mode fiber. El equipo autor está formado por Auxiliadora Padrón-Brito, Natalia Arteaga-Marrero, Ian Cunnyngham y Jeff Kuhn, todos ellos miembros del equipo implicado en este desarrollo. Padrón-Brito y Arteaga-Marrero están afiliadas al IAC y a la Universidad de La Laguna (ULL); Cunnyngham pertenece al Institute for Astronomy de la University of Hawai‘i at Mānoa; y Kuhn mantiene afiliaciones con el IAC, la ULL y la institución hawaiana.
Las actividades de I+D+i del proyecto LIOM cuentan también con el apoyo del Cabildo Insular de Tenerife a través del convenio de colaboración “Apoyo a las actuaciones I+D+I en el espacio de cooperación IACTEC”, además de la financiación de la Unión Europea, a través del proyecto de referencia 101087032.
Artículo científico
Auxiliadora Padrón-Brito, Natalia Arteaga-Marrero, Ian Cunnyngham y Jeff Kuhn
Focal-plane wavefront sensing with narrowband light using a short multi-mode fiber
Optics Express, Vol. 34, No. 6, 2026
DOI: 10.1364/OE.580986
