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 ，產品 95% 以上依賴進口 ，市場被國外公司長期壟斷 ，且對國內國防工業(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 ，研制國產化穩(wěn)頻半導體激光系統(tǒng)并形成自主可控的產業(yè)鏈條 ，實現高穩(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 、國防裝備等領域對自鎖定高穩(wěn)頻激光器自主可控 的需求 ，突破高信噪比速度光柵光譜 、調制轉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讓成果 ，建立了國內首條高精度原子穩(wěn)頻半導體激光器的標準化生產線 ，研發(fā) 生產了系列化批產的全國產化高精度原子穩(wěn)頻半導體激光器 。研究產品的生產制造工 藝 ，提高激光器性能指標的穩(wěn)定性和環(huán)境適應性；制定產品生產組裝工藝流程 ，建立 成品測試平臺，確保產品可靠性和一致性；聯合應用單位，開展產品應用驗證與推廣，向 項目組反饋應用意見 ，促進產品改進與完善 ，推動了我國高精度原子穩(wěn)頻半導體激光 器“研發(fā)—生產—應用 ”產業(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 子調制轉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 ，難以實現優(yōu) 越的穩(wěn)定度性能 ，無法滿足量子精密計量領域對穩(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對于穩(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對穩(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)原子調制轉移譜特征識別自鎖定技術及多參數自動協調尋譜智能化算法 ，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化生產工藝 ，研制了國產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 標準化生產線并實現批產銷售 ，成果用于成都天奧電子公司激光抽運銫原子鐘 ，實現系列產品在原子鐘 、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 。激光器實現了集成化設計 ，體積小 ，結構穩(wěn)定 。可通過通信端口實現一鍵自動鎖定 ，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)應用于深圳網聯光儀科技有限公司里德堡原子研究 ，該 激光系統(tǒng)實現光電結構一體化集成 ，有效降低了探測系統(tǒng)復雜度 。產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)原子調制轉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）首次實現特征尋譜自鎖定技術 。基于調制轉移譜技術方案，創(chuàng)新研發(fā)激光穩(wěn)頻多參數自動協調尋譜智能化算法 ，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 ，實現了系統(tǒng)的溫度和電流參數的自動調節(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據庫，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. 突破核心器件國產化生產工藝

（1）成功研制國產化專用鍍增透膜激光二極管 。首次突破專用鍍增透膜國產化激光二極管生產工藝 。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 現自主可控批量化生產 。基于國產化激光二極管 ，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、機械結構設計等方面進行優(yōu)化，實現光源、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 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線并實現批產銷售 。實現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 。實現在量子精密計量領域的推廣應用 ，系列產品在原子鐘 、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 。成果實現了技術引領和跨越式發(fā)展 ，應用前景廣闊 ，經濟和社會效益重大 。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 ”產業(yè)鏈，使我國在國際高精度半導體激光器領域實現從“跟跑 ”“并跑 ”到“領跑 ”的轉變。

（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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