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激光节拍器实现新纪录

2017-01-19 10:30
安娜PARKER
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据德国电子同步加速器国家实验室(DESY)官网头条新闻报道,最近,科学家们为一个公里量级的网络建立了世界上最精确的节拍器。定时系统将总长4.7公里的激光-微波网络进行了18小时不间断同步,其同步精度达到950阿秒(一个阿秒是10-18秒)。该同步系统可用于目前最先进的X射线超快摄像,进而探索分子、原子内部未知的超快物理变化过程。德国自由电子激光科学中心(CFEL)及美国麻省理工学院(MIT)的Franz X. K?rtner教授所领导的德国-美国联合团队在最新一期的Light:Science & Applications上发表了这一研究成果。

▲ 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。

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