▲ 噪声极低的锁模激光器脉冲序列（红色）可以为多个微波源（蓝色）及不同波长的激光器（绿色）提供阿秒精度、公里量级的精确同步。
 

“很多研究领域都需要极高精度的定时同步”，论文的第一作者，定时同步课题组组长辛明博士介绍。“比如地表测绘系统需要纳秒（10-9秒）到皮秒（10-12秒）量级的同步；如果将光学望远镜阵列在百公里范围进行飞秒（10-15秒）量级同步，则有可能实现1光年外几十公里的空间分辨率，从而加速类地行星的探索进程”。
 

欧洲European XFEL，美国SLAC等世界知名X射线自由电子激光研究中心都在致力于拍摄微观世界的超快现象，比如生物分子或化学反应的动态演变过程。“由于分子、原子的很多重要物理过程都发生在阿秒量级的时间范围内”，辛明解释，“摄制‘分子电影’需要克服的一个关键难题是如何获得阿秒精度的时间分辨率”。
 

目前，DESY的先驱自由电子激光器FLASH已经具备了300米范围内30飞秒的非常精准的定时同步。这对于所谓的泵浦探测实验非常重要。在这种实验里，通常一个动态过程（比如化学反应过程）先被一个激光脉冲激发，经过一段指定的精确延时，再被另一个激光脉冲分析得到一张“快照”。如果缓慢的增加两个脉冲之间的延时，重复进行上述泵浦探测实验，再将每次探测得到的“快照”连在一起，就可以得到所研究演变过程的超级慢动作电影。如果不对激光脉冲进行定时同步，那么慢动作电影就无法真实的再现该动态过程。
 

“如果我们可以实现更好的同步精度，则可以通过在阿秒的时间尺度上揭示分子、原子的物理过程，开辟崭新的科学研究领域，进而为结构生物学、材料科学、量子化学乃至基础物理带来革命性的突破”，K?rtner教授说。K?rtner教授目前同时任职于DESY、汉堡大学，并在MIT领导若干研究项目。十几年前，他在MIT发起了定时同步技术研究。“像X射线自由电子激光器这种大型的阿秒科学装置，需要对其内部数十个激光器、微波源进行系统层面阿秒量级的精确同步，同步跨度超过数公里”，K?rtner补充道。为此，科学家们开发了一套光学定时同步系统，采用噪声极低的锁模激光器脉冲序列作为定时信号。通过稳定的光纤链路，定时信号从中心基站长距离传送到各个终端，实现对终端激光器、微波源高精度的远程锁定。“据我们所知，这是国际上首次实现的1飞秒以下、激光器与微波振荡器的远距离长时同步”，辛明说。

 

▲ 自由电子激光器的定时同步系统
 

“阿秒精度的激光-微波网络将会使下一代X射线自由电子激光器及其他阿秒大科学装置发挥出它们的全部潜力，”K?rtner教授强调。“此外，其他需要高精度时间分辨率的应用，比如超稳光学时钟、引力波探测、相干光学天线阵列等也可以从这一技术中受益”。
 

该项目的所有实验均在CFEL的低噪声激光实验室完成。CFEL是DESY、汉堡大学及马普所的合作组织。DESY、MIT及汉堡大学共同参与了这个研究项目。