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

“很多研究領(lǐng)域都需要極高精度的定時(shí)同步”，論文的第一作者，定時(shí)同步課題組組長辛明博士介紹。“比如地表測(cè)繪系統(tǒng)需要納秒（10-9秒）到皮秒（10-12秒）量級(jí)的同步；如果將光學(xué)望遠(yuǎn)鏡陣列在百公里范圍進(jìn)行飛秒（10-15秒）量級(jí)同步，則有可能實(shí)現(xiàn)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(jìn)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(xiàn)象，比如生物分子或化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)態(tài)演變過程。“由于分子、原子的很多重要物理過程都發(fā)生在阿秒量級(jí)的時(shí)間范圍內(nèi)”，辛明解釋，“攝制‘分子電影’需要克服的一個(gè)關(guān)鍵難題是如何獲得阿秒精度的時(shí)間分辨率”。
 

目前，DESY的先驅(qū)自由電子激光器FLASH已經(jīng)具備了300米范圍內(nèi)30飛秒的非常精準(zhǔn)的定時(shí)同步。這對(duì)于所謂的泵浦探測(cè)實(shí)驗(yàn)非常重要。在這種實(shí)驗(yàn)里，通常一個(gè)動(dòng)態(tài)過程（比如化學(xué)反應(yīng)過程）先被一個(gè)激光脈沖激發(fā)，經(jīng)過一段指定的精確延時(shí)，再被另一個(gè)激光脈沖分析得到一張“快照”。如果緩慢的增加兩個(gè)脈沖之間的延時(shí)，重復(fù)進(jìn)行上述泵浦探測(cè)實(shí)驗(yàn)，再將每次探測(cè)得到的“快照”連在一起，就可以得到所研究演變過程的超級(jí)慢動(dòng)作電影。如果不對(duì)激光脈沖進(jìn)行定時(shí)同步，那么慢動(dòng)作電影就無法真實(shí)的再現(xiàn)該動(dòng)態(tài)過程。
 

“如果我們可以實(shí)現(xiàn)更好的同步精度，則可以通過在阿秒的時(shí)間尺度上揭示分子、原子的物理過程，開辟嶄新的科學(xué)研究領(lǐng)域，進(jìn)而為結(jié)構(gòu)生物學(xué)、材料科學(xué)、量子化學(xué)乃至基礎(chǔ)物理帶來革命性的突破”，K?rtner教授說。K?rtner教授目前同時(shí)任職于DESY、漢堡大學(xué)，并在MIT領(lǐng)導(dǎo)若干研究項(xiàng)目。十幾年前，他在MIT發(fā)起了定時(shí)同步技術(shù)研究。“像X射線自由電子激光器這種大型的阿秒科學(xué)裝置，需要對(duì)其內(nèi)部數(shù)十個(gè)激光器、微波源進(jìn)行系統(tǒng)層面阿秒量級(jí)的精確同步，同步跨度超過數(shù)公里”，K?rtner補(bǔ)充道。為此，科學(xué)家們開發(fā)了一套光學(xué)定時(shí)同步系統(tǒng)，采用噪聲極低的鎖模激光器脈沖序列作為定時(shí)信號(hào)。通過穩(wěn)定的光纖鏈路，定時(shí)信號(hào)從中心基站長距離傳送到各個(gè)終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端激光器、微波源高精度的遠(yuǎn)程鎖定。“據(jù)我們所知，這是國際上首次實(shí)現(xiàn)的1飛秒以下、激光器與微波振蕩器的遠(yuǎn)距離長時(shí)同步”，辛明說。

 

▲ 自由電子激光器的定時(shí)同步系統(tǒng)
 

“阿秒精度的激光-微波網(wǎng)絡(luò)將會(huì)使下一代X射線自由電子激光器及其他阿秒大科學(xué)裝置發(fā)揮出它們的全部潛力，”K?rtner教授強(qiáng)調(diào)。“此外，其他需要高精度時(shí)間分辨率的應(yīng)用，比如超穩(wěn)光學(xué)時(shí)鐘、引力波探測(cè)、相干光學(xué)天線陣列等也可以從這一技術(shù)中受益”。
 

該項(xiàng)目的所有實(shí)驗(yàn)均在CFEL的低噪聲激光實(shí)驗(yàn)室完成。CFEL是DESY、漢堡大學(xué)及馬普所的合作組織。DESY、MIT及漢堡大學(xué)共同參與了這個(gè)研究項(xiàng)目。