一、案例概況

（一）背景摘要

穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)是量子精密計量領域開展前沿科學的基礎儀器 ，是國防軍事裝備系統(tǒng)的核心器件 ，廣泛運用于原子鐘 、原子重力儀 、原子陀螺儀等量子精密計量 、原子物理 、國防裝備領域 ，對國家經(jīng)濟發(fā)展和國防安全建設具有戰(zhàn)略意義 。但目前我國穩(wěn) 頻半導體激光器系統(tǒng)研究相對薄弱 ，產(chǎn)品 95% 以上依賴進口 ，市場被國外公司長期壟斷 ，且對國內(nèi)國防工業(yè)部門禁售 ，存在嚴重“卡脖子 ”問題 。此外 ，市面銷售的穩(wěn)頻半 導體激光系統(tǒng)還存在穩(wěn)定性差、操作復雜 、體積龐雜等局限 ，嚴重限制了其應用場景和范圍 。為此 ，研制國產(chǎn)化穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)并形成自主可控的產(chǎn)業(yè)鏈條 ，實現(xiàn)高穩(wěn)定性 、高智能化 、 自主可控 、規(guī)模應用的穩(wěn)頻激光系統(tǒng) ，具有迫切需求和重大意義。

（二）案例簡介

面向量子精密計量 、原子物理 、國防裝備等領域?qū)ψ枣i定高穩(wěn)頻激光器自主可控 的需求 ，突破高信噪比速度光柵光譜 、調(diào)制轉(zhuǎn)移譜特征識別自鎖定等關鍵技術 ，北京大學創(chuàng)新發(fā)展原子光譜高信噪比穩(wěn)頻技術 ，實現(xiàn)原子光譜信噪比 300 萬 ，為所見報道的國際最高水平；原子穩(wěn)頻激光頻率穩(wěn)定度 3.6E-14 ，優(yōu)于國際先進水平；創(chuàng)新實現(xiàn)原 子穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)自鎖定技術；創(chuàng)新研制高集成度自鎖定原子穩(wěn)頻半導體激光系 統(tǒng) 。浙江法拉第激光科技有限公司通過與北京大學開展深入合作 ，基于北京大學專利技術轉(zhuǎn)讓成果 ，建立了國內(nèi)首條高精度原子穩(wěn)頻半導體激光器的標準化生產(chǎn)線 ，研發(fā) 生產(chǎn)了系列化批產(chǎn)的全國產(chǎn)化高精度原子穩(wěn)頻半導體激光器 。研究產(chǎn)品的生產(chǎn)制造工 藝 ，提高激光器性能指標的穩(wěn)定性和環(huán)境適應性；制定產(chǎn)品生產(chǎn)組裝工藝流程 ，建立 成品測試平臺，確保產(chǎn)品可靠性和一致性；聯(lián)合應用單位，開展產(chǎn)品應用驗證與推廣，向 項目組反饋應用意見 ，促進產(chǎn)品改進與完善 ，推動了我國高精度原子穩(wěn)頻半導體激光 器“研發(fā)—生產(chǎn)—應用 ”產(chǎn)業(yè)鏈的建設發(fā)展。

該成果已在量子精密計量領域的原子鐘、重力儀、干涉儀等裝備實現(xiàn)了成功應用，打 破國外封鎖 。成果發(fā)表論文 41 篇 ，他引 234 次 ，申請及授權專利 25 項 。2023 年 8 月 11 日 ，中國計量測試學會組織召開項目成果鑒定會 ，李得天院士等 7 位鑒定委員會成 員評價：“該技術成果總體達到國際先進水平 ，其中 ，高信噪比速度光柵光譜技術 、原 子調(diào)制轉(zhuǎn)移譜特征識別自鎖定技術達到國際領先”。

二、案例具體做法

（一）案例詳情

原子穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)是量子精密計量設備的基石 ，能夠保證量子精密計量設備的穩(wěn)定精準 、長效可用。但傳統(tǒng)穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)存在穩(wěn)定性不足 、操作復雜 、體 積龐雜等局限 ，嚴重限制了其應用場景和范圍 。針對中美科技博弈對抗造成的高端激 光系統(tǒng)管制禁運的現(xiàn)狀，我國迫切需要研制出自主可控的原子穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)，支撐相關領域的創(chuàng)新發(fā)展。

實現(xiàn)原子穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)的有效應用 ，必須解決四大關鍵難題：（1）穩(wěn)定 度差 ：傳統(tǒng)原子穩(wěn)頻激光系統(tǒng)受譜線信噪比 、伺服反饋帶寬等因素限制 ，難以實現(xiàn)優(yōu) 越的穩(wěn)定度性能 ，無法滿足量子精密計量領域?qū)Ψ€(wěn)頻激光系統(tǒng)低頻率噪聲的應用需 求。（2）操作復雜 ：傳統(tǒng)原子穩(wěn)頻激光系統(tǒng)操作步驟繁瑣 ，需專業(yè)人員維護 ，對用戶要求高 ，且難以長期連續(xù)運行 ，無法滿足量子精密計量領域?qū)τ诜€(wěn)頻激光系統(tǒng)一鍵鎖 定長期運行的應用需求。（3）依賴進口 ：傳統(tǒng)原子穩(wěn)頻激光系統(tǒng)激光二極管等核心器件依賴進口 ，難以滿足量子計量精密領域?qū)Ψ€(wěn)頻激光系統(tǒng)自主可控的需求。（4）應用 受限 ：傳統(tǒng)原子穩(wěn)頻激光系統(tǒng)模塊分散 、接口復雜 ，局限于實驗室環(huán)境使用 ，無法滿 足量子精密計量的多領域 、多場景 、易操作 、可搬運的應用需求。

針對以上核心關鍵問題 ，開展系列技術攻關 。首創(chuàng)速度光柵光譜技術 ，實現(xiàn)國際最高水平原子光譜信噪比 ，頻率穩(wěn)定度優(yōu)于國際先進水平；通過開發(fā)原子調(diào)制轉(zhuǎn)移譜特征識別自鎖定技術及多參數(shù)自動協(xié)調(diào)尋譜智能化算法 ，解決傳統(tǒng)激光穩(wěn)頻系統(tǒng)操作 復雜 、容易失鎖等問題 ，突破自動尋譜鎖定 、失鎖后自動回鎖等關鍵技術 ，實現(xiàn)系統(tǒng)開機一鍵自動尋譜鎖定功能 ，開機自動尋譜時間小于 2 分鐘 ，偶發(fā)失鎖自動恢復時間 小于 5 秒 ，極大擴展了穩(wěn)頻激光系統(tǒng)的應用場景與適用范圍 ；突破原子穩(wěn)頻專用鍍增 透膜激光二極管等關鍵器件國產(chǎn)化生產(chǎn)工藝 ，研制了國產(chǎn)化自主可控的原子穩(wěn)頻激光 系統(tǒng) ，解決了我國穩(wěn)頻半導體激光器核心器部件依賴進口的“卡脖子 ”問題 ，激光功率大于 100 mW 、線寬約 95 kHz 、系統(tǒng)體積壓縮至 8 L ，顯著提升用戶使用效益；構建 標準化生產(chǎn)線并實現(xiàn)批產(chǎn)銷售 ，成果用于成都天奧電子公司激光抽運銫原子鐘 ，實現(xiàn)系列產(chǎn)品在原子鐘 、原子重力儀 、原子干涉儀等量子精密計量領域推廣應用 ，打破了穩(wěn)頻激光系統(tǒng)的國外壟斷。

（二）具體成效

系列化產(chǎn)品在原子鐘、原子重力儀、原子干涉儀等量子精密計量領域推廣應用，助 力解決“卡脖子 ”問題。

1. 原子鐘

（1）光抽運小銫鐘 ：2019 年 8 月至今 ，原子穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)作為核心部件應用于成都天奧電子股份有限公司生產(chǎn)的光抽運小銫鐘 ，使光抽運小銫鐘性能指標達到 國際先進水平 ，優(yōu)于美國禁售產(chǎn)品 5071A 穩(wěn)定度指標近 4 倍 。 目前 ，基于此自穩(wěn)頻激 光部件的光抽運小銫鐘已在各軍民應用場景開展試用 ，基本滿足用戶應用需求。

（2）噴泉原子鐘 ：原子穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)作為冷卻光與重泵光應用于中國計量 科學研究院的 NIM6 基準噴泉鐘（時頻研究所）與小型銫噴泉鐘（基準工藝研究所），對 比德國 Toptica 產(chǎn)品 ，本系統(tǒng)集成度高 ，操作簡便 ，長期連續(xù)可靠運行 ，提升了系統(tǒng) 穩(wěn)定性。

（3）冷原子微波鐘 ：原子穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)應用于北京無線電計量研究所的冷原子微波鐘 ，對標德國 Toptica 產(chǎn)品 ， 自鎖定穩(wěn)頻激光系統(tǒng)穩(wěn)定度性能更優(yōu) ，集成度更 高 ，一鍵尋譜鎖定和回鎖操作簡便 ，解決了原子穩(wěn)頻激光系統(tǒng)長期依賴進口的問題。

2. 原子重力儀

原子穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)應用于上海凌波光電有限公司原子干涉儀 ，激光鎖定重復性好 ，頻率穩(wěn)定度高 ，滿足原子干涉重力儀對激光的性能要求 。激光器實現(xiàn)了集成化設計 ，體積小 ，結(jié)構穩(wěn)定 。可通過通信端口實現(xiàn)一鍵自動鎖定 ，偶發(fā)失鎖可在短時間重新恢復鎖定 ，有助于推動重力儀的產(chǎn)業(yè)化。

原子穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)應用于浙江省量子精密測量重點實驗室（浙江工業(yè)大學）的原 子重力儀，該激光系統(tǒng)具備國際獨有的自動尋譜鎖定和自動回鎖功能，提升了重力儀系統(tǒng)的環(huán)境適應性與長期穩(wěn)定性。

3. 原子陀螺儀

原子穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)應用于清華大學原子陀螺儀 ，激光系統(tǒng)集成度高 ，具備 獨有的一鍵尋譜鎖定和自動回鎖功能 ，可長期穩(wěn)定運行 ，鎖定后穩(wěn)定度及線寬等性能良好 ，在原子干涉陀螺儀相關關鍵技術攻關中發(fā)揮了重要作用 ，該系統(tǒng)在量子精密測 量領域具有廣闊的應用前景。

4. 激光原子物理

原子穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)應用于深圳網(wǎng)聯(lián)光儀科技有限公司里德堡原子研究 ，該 激光系統(tǒng)實現(xiàn)光電結(jié)構一體化集成 ，有效降低了探測系統(tǒng)復雜度 。產(chǎn)品具有的一鍵尋譜鎖定與自動回鎖功能為國際首創(chuàng) ，可確保激光長期連續(xù)運行 ，極大簡化操作過程。

三、案例創(chuàng)新點

（一）案例實施的創(chuàng)新點

   1. 首創(chuàng)速度光柵光譜技術 ， 實現(xiàn)國際最高水平原子光譜信噪比

（1）首創(chuàng)提出速度光柵譜技術方案 。國際首次提出速度光柵譜技術方案 ，創(chuàng)新采 用脈沖調(diào)制寬譜梳齒型激光方案 ，克服了熱原子利用效率較低的問題 ，降低熱原子體系量子投影噪聲極限 ，從而大幅度提高信噪比 ，進而量級提升激光穩(wěn)頻系統(tǒng)的穩(wěn)定 度 。光譜信噪比達到 300 萬 ，優(yōu)于美國 JILA 同類系統(tǒng)約 3 倍 ，為所見報道的國際最高 水平。

（2）創(chuàng)新發(fā)展寬帶寬快速伺服反饋技術 。創(chuàng)新采用壓電陶瓷（PZT）反饋環(huán)路 、激 光電流和快速激光管反饋環(huán)路，實現(xiàn)對不同頻率噪聲的壓制，有效提升系統(tǒng)帶寬增益。鎖 頻后激光頻率穩(wěn)定度優(yōu)于 3.6E-14 ，優(yōu)于國際同類商用激光穩(wěn)頻系統(tǒng) 1 ～ 2 個量級 ，優(yōu) 于國際先進實驗室同類系統(tǒng)指標 1.25 倍。

2. 開發(fā)原子調(diào)制轉(zhuǎn)移譜特征識別自鎖定技術 ，解決傳統(tǒng)激光穩(wěn)頻系統(tǒng)操作復雜、容 易失鎖等問題

（1）首次實現(xiàn)特征尋譜自鎖定技術 。基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜技術方案，創(chuàng)新研發(fā)激光穩(wěn)頻多參數(shù)自動協(xié)調(diào)尋譜智能化算法 ，克服了傳統(tǒng)半導體激光器易跳模、原子譜線尋譜困難 等問題 ，實現(xiàn)了系統(tǒng)的溫度和電流參數(shù)的自動調(diào)節(jié) 。具備系統(tǒng)開機一鍵自動尋譜鎖定功 能 ，開機自動尋譜時間小于 2 分鐘 ，極大擴展了穩(wěn)頻激光系統(tǒng)的應用場景與適用范圍。

（2）創(chuàng)新發(fā)展自動回鎖技術 。針對傳統(tǒng)激光穩(wěn)頻系統(tǒng)易受外部機械振動 、溫度電 流變化導致頻率失鎖的問題，基于激光穩(wěn)頻智能化算法，通過構建特征光譜數(shù)據(jù)庫，并 創(chuàng)新使用特征識別 、模糊匹配 、機器學習等技術方法 ，實現(xiàn)系統(tǒng)失鎖后快速重新尋譜 鎖定 。偶發(fā)失鎖自動恢復時間小于 5 秒 ，從而達到系統(tǒng)長期連續(xù)運行。

   3. 突破核心器件國產(chǎn)化生產(chǎn)工藝

（1）成功研制國產(chǎn)化專用鍍增透膜激光二極管 。首次突破專用鍍增透膜國產(chǎn)化激光二極管生產(chǎn)工藝 。創(chuàng)新開發(fā)穩(wěn)頻半導體激光器專用鍍膜工藝技術 ，有效控制材料生 長 ，成功研制國產(chǎn)化鍍增透膜的激光二極管 ，完成對刻蝕寬度和深度的優(yōu)化設計 ，實 現(xiàn)自主可控批量化生產(chǎn) 。基于國產(chǎn)化激光二極管 ，研制自主可控的自鎖定原子穩(wěn)頻激 光系統(tǒng) ，激光功率 、線寬達到進口同類產(chǎn)品水平 ，解決了我國原子穩(wěn)頻半導體激光器 核心器部件依賴進口的“卡脖子 ”問題。

（2）實現(xiàn)激光電控系統(tǒng)集成一體化 。突破集成一體化設計技術 ，對系統(tǒng)熱量耗散 與分布、機械結(jié)構設計等方面進行優(yōu)化，實現(xiàn)光源、穩(wěn)頻系統(tǒng)、電學模塊一體化集成，將 穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)體積規(guī)模壓縮至 8 L 。系統(tǒng)高度集成化 ，體積規(guī)模僅為國際同類產(chǎn) 品的 1/4 ，顯著提升用戶使用效益。

（二）推廣價值

項目已構建標準化產(chǎn)線并實現(xiàn)批產(chǎn)銷售 。實現(xiàn)了工程可用的自鎖定原子穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)，建立了自鎖定原子穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)標準化產(chǎn)線。系統(tǒng)具有體積小巧 、 集成度高 、易于搬運等顯著優(yōu)勢 ，可滿足小銫鐘移動式應用需求并顯著提升整鐘指 標 。實現(xiàn)在量子精密計量領域的推廣應用 ，系列產(chǎn)品在原子鐘 、原子重力儀 、原子干 涉儀等量子精密計量領域推廣應用 。成果應用于成都天奧電子股份有限公司新型激光 抽運銫原子鐘 ，實現(xiàn)百秒穩(wěn)定度 2.0E-13 ，萬秒穩(wěn)定度 2.0E-14 ，相較于美對我禁售同 類產(chǎn)品 5071A ，穩(wěn)定度指標提升 4 倍。

本項目成果可廣泛運用于國防軍事 、導航授時 、前沿科學探索 、環(huán)境監(jiān)測等領 域 。預計市場規(guī)模如下：

（1）國防軍事領域 ：可應用于軍工計量 、導航授時 、量子精密測量等領域 ，市場 規(guī)模需求約 50 億元。

（2）前沿科學探索 ：可應用于星載原子鐘 、星間激光通信 、空間引力波探測等領 域 ，市場規(guī)模需求約 10 億元。

（3）環(huán)境監(jiān)測領域 ：儀器儀表市場規(guī)模需求約 50 億元。

（三）體會感受

原子穩(wěn)頻半導體激光器的成功研制 ，解決了我國量子精密計量 、原子物理 、國   防裝備等領域面臨的穩(wěn)頻激光系統(tǒng)穩(wěn)定性差 、體積龐大 、嚴重依賴進口等“卡脖子 ” 問題 。成果實現(xiàn)了技術引領和跨越式發(fā)展 ，應用前景廣闊 ，經(jīng)濟和社會效益重大 。研   究成果打破國外對我國穩(wěn)頻激光系統(tǒng)的壟斷管制和禁運 ，培育促進了半導體芯片 、原   子氣室 、干涉濾光片等器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展 ，同時帶動原子鐘 、原子干涉儀 、原子重力儀等   下游應用領域。

（1）半導體激光器領域 ：原子穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)打破了國外對我國高端半導體 激光器的壟斷管制和禁運 ，構建了高性能穩(wěn)頻激光器“器件—整機—應用 ”產(chǎn)業(yè)鏈，使我國在國際高精度半導體激光器領域?qū)崿F(xiàn)從“跟跑 ”“并跑 ”到“領跑 ”的轉(zhuǎn)變。

（2）量子精密計量領域 ：推動我國量子精密計量領域原子鐘 、原子干涉儀 、

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