▲ 噪聲極低的鎖模激光器脈沖序列（紅色）可以為多個微波源（藍色）及不同波長的激光器（綠色）提供阿秒精度、公里量級的精確同步。
 

“很多研究領域都需要極高精度的定時同步”，論文的第一作者，定時同步課題組組長辛明博士介紹。“比如地表測繪系統需要納秒（10-9秒）到皮秒（10-12秒）量級的同步；如果將光學望遠鏡陣列在百公里范圍進行飛秒（10-15秒）量級同步，則有可能實現1光年外幾十公里的空間分辨率，從而加速類地行星的探索進程”。
 

歐洲European XFEL，美國SLAC等世界知名X射線自由電子激光研究中心都在致力于拍攝微觀世界的超快現象，比如生物分子或化學反應的動態演變過程。“由于分子、原子的很多重要物理過程都發生在阿秒量級的時間范圍內”，辛明解釋，“攝制‘分子電影’需要克服的一個關鍵難題是如何獲得阿秒精度的時間分辨率”。
 

目前，DESY的先驅自由電子激光器FLASH已經具備了300米范圍內30飛秒的非常精準的定時同步。這對于所謂的泵浦探測實驗非常重要。在這種實驗里，通常一個動態過程（比如化學反應過程）先被一個激光脈沖激發，經過一段指定的精確延時，再被另一個激光脈沖分析得到一張“快照”。如果緩慢的增加兩個脈沖之間的延時，重復進行上述泵浦探測實驗，再將每次探測得到的“快照”連在一起，就可以得到所研究演變過程的超級慢動作電影。如果不對激光脈沖進行定時同步，那么慢動作電影就無法真實的再現該動態過程。
 

“如果我們可以實現更好的同步精度，則可以通過在阿秒的時間尺度上揭示分子、原子的物理過程，開辟嶄新的科學研究領域，進而為結構生物學、材料科學、量子化學乃至基礎物理帶來革命性的突破”，K?rtner教授說。K?rtner教授目前同時任職于DESY、漢堡大學，并在MIT領導若干研究項目。十幾年前，他在MIT發起了定時同步技術研究。“像X射線自由電子激光器這種大型的阿秒科學裝置，需要對其內部數十個激光器、微波源進行系統層面阿秒量級的精確同步，同步跨度超過數公里”，K?rtner補充道。為此，科學家們開發了一套光學定時同步系統，采用噪聲極低的鎖模激光器脈沖序列作為定時信號。通過穩定的光纖鏈路，定時信號從中心基站長距離傳送到各個終端，實現對終端激光器、微波源高精度的遠程鎖定。“據我們所知，這是國際上首次實現的1飛秒以下、激光器與微波振蕩器的遠距離長時同步”，辛明說。

 

▲ 自由電子激光器的定時同步系統
 

“阿秒精度的激光-微波網絡將會使下一代X射線自由電子激光器及其他阿秒大科學裝置發揮出它們的全部潛力，”K?rtner教授強調。“此外，其他需要高精度時間分辨率的應用，比如超穩光學時鐘、引力波探測、相干光學天線陣列等也可以從這一技術中受益”。
 

該項目的所有實驗均在CFEL的低噪聲激光實驗室完成。CFEL是DESY、漢堡大學及馬普所的合作組織。DESY、MIT及漢堡大學共同參與了這個研究項目。