一、案例概況

（一）背景摘要

穩頻半導體激光系統是量子精密計量領(lǐng)域開(kāi)展前沿科學(xué)的基礎儀器 ，是國防軍事裝備系統的核心器件 ，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(lǐng)域 ，對國家經(jīng)濟發(fā)展和國防安全建設具有戰略意義 。但目前我國穩 頻半導體激光器系統研究相對薄弱 ，產(chǎn)品 95% 以上依賴(lài)進(jìn)口 ，市場(chǎng)被國外公司長(cháng)期壟斷 ，且對國內國防工業(yè)部門(mén)禁售 ，存在嚴重“卡脖子 ”問(wèn)題 。此外 ，市面銷(xiāo)售的穩頻半 導體激光系統還存在穩定性差、操作復雜 、體積龐雜等局限 ，嚴重限制了其應用場(chǎng)景和范圍 。為此 ，研制國產(chǎn)化穩頻半導體激光系統并形成自主可控的產(chǎn)業(yè)鏈條 ，實(shí)現高穩定性 、高智能化 、 自主可控 、規模應用的穩頻激光系統 ，具有迫切需求和重大意義。

（二）案例簡(jiǎn)介

面向量子精密計量 、原子物理 、國防裝備等領(lǐng)域對自鎖定高穩頻激光器自主可控 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(guān)鍵技術(shù) ，北京大學(xué)創(chuàng )新發(fā)展原子光譜高信噪比穩頻技術(shù) ，實(shí)現原子光譜信噪比 300 萬(wàn) ，為所見(jiàn)報道的國際最高水平；原子穩頻激光頻率穩定度 3.6E-14 ，優(yōu)于國際先進(jìn)水平；創(chuàng )新實(shí)現原 子穩頻半導體激光系統自鎖定技術(shù)；創(chuàng )新研制高集成度自鎖定原子穩頻半導體激光系 統 。浙江法拉第激光科技有限公司通過(guò)與北京大學(xué)開(kāi)展深入合作 ，基于北京大學(xué)專(zhuān)利技術(shù)轉讓成果 ，建立了國內首條高精度原子穩頻半導體激光器的標準化生產(chǎn)線(xiàn) ，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(kāi)展產(chǎn)品應用驗證與推廣，向 項目組反饋應用意見(jiàn) ，促進(jìn)產(chǎn)品改進(jìn)與完善 ，推動(dòng)了我國高精度原子穩頻半導體激光 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(lǐng)域的原子鐘、重力儀、干涉儀等裝備實(shí)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(zhuān)利 25 項 。2023 年 8 月 11 日 ，中國計量測試學(xué)會(huì )組織召開(kāi)項目成果鑒定會(huì ) ，李得天院士等 7 位鑒定委員會(huì )成 員評價(jià)：“該技術(shù)成果總體達到國際先進(jìn)水平 ，其中 ，高信噪比速度光柵光譜技術(shù) 、原 子調制轉移譜特征識別自鎖定技術(shù)達到國際領(lǐng)先”。

二、案例具體做法

（一）案例詳情

原子穩頻半導體激光系統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定精準 、長(cháng)效可用。但傳統穩頻半導體激光系統存在穩定性不足 、操作復雜 、體 積龐雜等局限 ，嚴重限制了其應用場(chǎng)景和范圍 。針對中美科技博弈對抗造成的高端激 光系統管制禁運的現狀，我國迫切需要研制出自主可控的原子穩頻半導體激光系統，支撐相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng )新發(fā)展。

實(shí)現原子穩頻半導體激光系統的有效應用 ，必須解決四大關(guān)鍵難題：（1）穩定 度差 ：傳統原子穩頻激光系統受譜線(xiàn)信噪比 、伺服反饋帶寬等因素限制 ，難以實(shí)現優(yōu) 越的穩定度性能 ，無(wú)法滿(mǎn)足量子精密計量領(lǐng)域對穩頻激光系統低頻率噪聲的應用需 求。（2）操作復雜 ：傳統原子穩頻激光系統操作步驟繁瑣 ，需專(zhuān)業(yè)人員維護 ，對用戶(hù)要求高 ，且難以長(cháng)期連續運行 ，無(wú)法滿(mǎn)足量子精密計量領(lǐng)域對于穩頻激光系統一鍵鎖 定長(cháng)期運行的應用需求。（3）依賴(lài)進(jìn)口 ：傳統原子穩頻激光系統激光二極管等核心器件依賴(lài)進(jìn)口 ，難以滿(mǎn)足量子計量精密領(lǐng)域對穩頻激光系統自主可控的需求。（4）應用 受限 ：傳統原子穩頻激光系統模塊分散 、接口復雜 ，局限于實(shí)驗室環(huán)境使用 ，無(wú)法滿(mǎn) 足量子精密計量的多領(lǐng)域 、多場(chǎng)景 、易操作 、可搬運的應用需求。

針對以上核心關(guān)鍵問(wèn)題 ，開(kāi)展系列技術(shù)攻關(guān) 。首創(chuàng )速度光柵光譜技術(shù) ，實(shí)現國際最高水平原子光譜信噪比 ，頻率穩定度優(yōu)于國際先進(jìn)水平；通過(guò)開(kāi)發(fā)原子調制轉移譜特征識別自鎖定技術(shù)及多參數自動(dòng)協(xié)調尋譜智能化算法 ，解決傳統激光穩頻系統操作 復雜 、容易失鎖等問(wèn)題 ，突破自動(dòng)尋譜鎖定 、失鎖后自動(dòng)回鎖等關(guān)鍵技術(shù) ，實(shí)現系統開(kāi)機一鍵自動(dòng)尋譜鎖定功能 ，開(kāi)機自動(dòng)尋譜時(shí)間小于 2 分鐘 ，偶發(fā)失鎖自動(dòng)恢復時(shí)間 小于 5 秒 ，極大擴展了穩頻激光系統的應用場(chǎng)景與適用范圍 ；突破原子穩頻專(zhuān)用鍍增 透膜激光二極管等關(guān)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頻激光 系統 ，解決了我國穩頻半導體激光器核心器部件依賴(lài)進(jìn)口的“卡脖子 ”問(wèn)題 ，激光功率大于 100 mW 、線(xiàn)寬約 95 kHz 、系統體積壓縮至 8 L ，顯著(zhù)提升用戶(hù)使用效益；構建 標準化生產(chǎn)線(xiàn)并實(shí)現批產(chǎn)銷(xiāo)售 ，成果用于成都天奧電子公司激光抽運銫原子鐘 ，實(shí)現系列產(chǎn)品在原子鐘 、原子重力儀 、原子干涉儀等量子精密計量領(lǐng)域推廣應用 ，打破了穩頻激光系統的國外壟斷。

（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(lǐng)域推廣應用，助 力解決“卡脖子 ”問(wèn)題。

1. 原子鐘

（1）光抽運小銫鐘 ：2019 年 8 月至今 ，原子穩頻半導體激光系統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(jìn)水平 ，優(yōu)于美國禁售產(chǎn)品 5071A 穩定度指標近 4 倍 。 目前 ，基于此自穩頻激 光部件的光抽運小銫鐘已在各軍民應用場(chǎng)景開(kāi)展試用 ，基本滿(mǎn)足用戶(hù)應用需求。

（2）噴泉原子鐘 ：原子穩頻半導體激光系統作為冷卻光與重泵光應用于中國計量 科學(xué)研究院的 NIM6 基準噴泉鐘（時(shí)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 ，本系統集成度高 ，操作簡(jiǎn)便 ，長(cháng)期連續可靠運行 ，提升了系統 穩定性。

（3）冷原子微波鐘 ：原子穩頻半導體激光系統應用于北京無(wú)線(xiàn)電計量研究所的冷原子微波鐘 ，對標德國 Toptica 產(chǎn)品 ， 自鎖定穩頻激光系統穩定度性能更優(yōu) ，集成度更 高 ，一鍵尋譜鎖定和回鎖操作簡(jiǎn)便 ，解決了原子穩頻激光系統長(cháng)期依賴(lài)進(jìn)口的問(wèn)題。

2. 原子重力儀

原子穩頻半導體激光系統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 ，頻率穩定度高 ，滿(mǎn)足原子干涉重力儀對激光的性能要求 。激光器實(shí)現了集成化設計 ，體積小 ，結構穩定 。可通過(guò)通信端口實(shí)現一鍵自動(dòng)鎖定 ，偶發(fā)失鎖可在短時(shí)間重新恢復鎖定 ，有助于推動(dòng)重力儀的產(chǎn)業(yè)化。

原子穩頻半導體激光系統應用于浙江省量子精密測量重點(diǎn)實(shí)驗室（浙江工業(yè)大學(xué)）的原 子重力儀，該激光系統具備國際獨有的自動(dòng)尋譜鎖定和自動(dòng)回鎖功能，提升了重力儀系統的環(huán)境適應性與長(cháng)期穩定性。

3. 原子陀螺儀

原子穩頻半導體激光系統應用于清華大學(xué)原子陀螺儀 ，激光系統集成度高 ，具備 獨有的一鍵尋譜鎖定和自動(dòng)回鎖功能 ，可長(cháng)期穩定運行 ，鎖定后穩定度及線(xiàn)寬等性能良好 ，在原子干涉陀螺儀相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)中發(fā)揮了重要作用 ，該系統在量子精密測 量領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

4. 激光原子物理

原子穩頻半導體激光系統應用于深圳網(wǎng)聯(lián)光儀科技有限公司里德堡原子研究 ，該 激光系統實(shí)現光電結構一體化集成 ，有效降低了探測系統復雜度 。產(chǎn)品具有的一鍵尋譜鎖定與自動(dòng)回鎖功能為國際首創(chuàng ) ，可確保激光長(cháng)期連續運行 ，極大簡(jiǎn)化操作過(guò)程。

三、案例創(chuàng )新點(diǎn)

（一）案例實(shí)施的創(chuàng )新點(diǎn)

   1. 首創(chuàng )速度光柵光譜技術(shù) ， 實(shí)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(shù)方案 。國際首次提出速度光柵譜技術(shù)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(wèn)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(jìn)而量級提升激光穩頻系統的穩定 度 。光譜信噪比達到 300 萬(wàn) ，優(yōu)于美國 JILA 同類(lèi)系統約 3 倍 ，為所見(jiàn)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(shù) 。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(shí)現對不同頻率噪聲的壓制，有效提升系統帶寬增益。鎖 頻后激光頻率穩定度優(yōu)于 3.6E-14 ，優(yōu)于國際同類(lèi)商用激光穩頻系統 1 ～ 2 個(gè)量級 ，優(yōu) 于國際先進(jìn)實(shí)驗室同類(lèi)系統指標 1.25 倍。

2. 開(kāi)發(fā)原子調制轉移譜特征識別自鎖定技術(shù) ，解決傳統激光穩頻系統操作復雜、容 易失鎖等問(wèn)題

（1）首次實(shí)現特征尋譜自鎖定技術(shù) 。基于調制轉移譜技術(shù)方案，創(chuàng )新研發(fā)激光穩頻多參數自動(dòng)協(xié)調尋譜智能化算法 ，克服了傳統半導體激光器易跳模、原子譜線(xiàn)尋譜困難 等問(wèn)題 ，實(shí)現了系統的溫度和電流參數的自動(dòng)調節 。具備系統開(kāi)機一鍵自動(dòng)尋譜鎖定功 能 ，開(kāi)機自動(dòng)尋譜時(shí)間小于 2 分鐘 ，極大擴展了穩頻激光系統的應用場(chǎng)景與適用范圍。

（2）創(chuàng )新發(fā)展自動(dòng)回鎖技術(shù) 。針對傳統激光穩頻系統易受外部機械振動(dòng) 、溫度電 流變化導致頻率失鎖的問(wèn)題，基于激光穩頻智能化算法，通過(guò)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(xué)習等技術(shù)方法 ，實(shí)現系統失鎖后快速重新尋譜 鎖定 。偶發(fā)失鎖自動(dòng)恢復時(shí)間小于 5 秒 ，從而達到系統長(cháng)期連續運行。

   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(zhuān)用鍍增透膜激光二極管 。首次突破專(zhuān)用鍍增透膜國產(chǎn)化激光二極管生產(chǎn)工藝 。創(chuàng )新開(kāi)發(fā)穩頻半導體激光器專(zhuān)用鍍膜工藝技術(shù) ，有效控制材料生 長(cháng) ，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(shí) 現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頻激 光系統 ，激光功率 、線(xiàn)寬達到進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品水平 ，解決了我國原子穩頻半導體激光器 核心器部件依賴(lài)進(jìn)口的“卡脖子 ”問(wèn)題。

（2）實(shí)現激光電控系統集成一體化 。突破集成一體化設計技術(shù) ，對系統熱量耗散 與分布、機械結構設計等方面進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現光源、穩頻系統、電學(xué)模塊一體化集成，將 穩頻半導體激光系統體積規模壓縮至 8 L 。系統高度集成化 ，體積規模僅為國際同類(lèi)產(chǎn) 品的 1/4 ，顯著(zhù)提升用戶(hù)使用效益。

（二）推廣價(jià)值

項目已構建標準化產(chǎn)線(xiàn)并實(shí)現批產(chǎn)銷(xiāo)售 。實(shí)現了工程可用的自鎖定原子穩頻半導體激光系統，建立了自鎖定原子穩頻半導體激光系統標準化產(chǎn)線(xiàn)。系統具有體積小巧 、 集成度高 、易于搬運等顯著(zhù)優(yōu)勢 ，可滿(mǎn)足小銫鐘移動(dòng)式應用需求并顯著(zhù)提升整鐘指 標 。實(shí)現在量子精密計量領(lǐng)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(lǐng)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(shí)現百秒穩定度 2.0E-13 ，萬(wàn)秒穩定度 2.0E-14 ，相較于美對我禁售同 類(lèi)產(chǎn)品 5071A ，穩定度指標提升 4 倍。

本項目成果可廣泛運用于國防軍事 、導航授時(shí) 、前沿科學(xué)探索 、環(huán)境監測等領(lǐng) 域 。預計市場(chǎng)規模如下：

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

（2）前沿科學(xué)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(lǐng) 域 ，市場(chǎng)規模需求約 10 億元。

（3）環(huán)境監測領(lǐng)域 ：儀器儀表市場(chǎng)規模需求約 50 億元。

（三）體會(huì )感受

原子穩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(lǐng)域面臨的穩頻激光系統穩定性差 、體積龐大 、嚴重依賴(lài)進(jìn)口等“卡脖子 ” 問(wèn)題 。成果實(shí)現了技術(shù)引領(lǐng)和跨越式發(fā)展 ，應用前景廣闊 ，經(jīng)濟和社會(huì )效益重大 。研   究成果打破國外對我國穩頻激光系統的壟斷管制和禁運 ，培育促進(jìn)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(shí)帶動(dòng)原子鐘 、原子干涉儀 、原子重力儀等   下游應用領(lǐng)域。

（1）半導體激光器領(lǐng)域 ：原子穩頻半導體激光系統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(lǐng)域實(shí)現從“跟跑 ”“并跑 ”到“領(lǐng)跑 ”的轉變。

（2）量子精密計量領(lǐng)域 ：推動(dòng)我國量子精密計量領(lǐng)域原子鐘 、原子干涉儀 、

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