一、案例概況

（一）背景摘要

穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光系統(tǒng)是量子精密計(jì)量領(lǐng)域開展前沿科學(xué)的基礎(chǔ)儀器 ，是國(guó)防軍事裝備系統(tǒng)的核心器件 ，廣泛運(yùn)用于原子鐘 、原子重力儀 、原子陀螺儀等量子精密計(jì)量 、原子物理 、國(guó)防裝備領(lǐng)域 ，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防安全建設(shè)具有戰(zhàn)略意義 。但目前我國(guó)穩(wěn) 頻半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)研究相對(duì)薄弱 ，產(chǎn)品 95% 以上依賴進(jìn)口 ，市場(chǎng)被國(guó)外公司長(zhǎng)期壟斷 ，且對(duì)國(guó)內(nèi)國(guó)防工業(yè)部門禁售 ，存在嚴(yán)重“卡脖子 ”問題 。此外 ，市面銷售的穩(wěn)頻半 導(dǎo)體激光系統(tǒng)還存在穩(wěn)定性差、操作復(fù)雜 、體積龐雜等局限 ，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用場(chǎng)景和范圍 。為此 ，研制國(guó)產(chǎn)化穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光系統(tǒng)并形成自主可控的產(chǎn)業(yè)鏈條 ，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性 、高智能化 、 自主可控 、規(guī)模應(yīng)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(jiǎn)介

面向量子精密計(jì)量 、原子物理 、國(guó)防裝備等領(lǐng)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(shí)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(wěn)頻技術(shù) ，實(shí)現(xiàn)原子光譜信噪比 300 萬 ，為所見報(bào)道的國(guó)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(guó)際先進(jìn)水平；創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)原 子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光系統(tǒng)自鎖定技術(shù)；創(chuàng)新研制高集成度自鎖定原子穩(wěn)頻半導(dǎo)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(xué)開展深入合作 ，基于北京大學(xué)專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓成果 ，建立了國(guó)內(nèi)首條高精度原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)線 ，研發(fā) 生產(chǎn)了系列化批產(chǎn)的全國(guó)產(chǎn)化高精度原子穩(wěn)頻半導(dǎo)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(biāo)的穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性；制定產(chǎn)品生產(chǎn)組裝工藝流程 ，建立 成品測(cè)試平臺(tái)，確保產(chǎn)品可靠性和一致性；聯(lián)合應(yīng)用單位，開展產(chǎn)品應(yīng)用驗(yàn)證與推廣，向 項(xiàng)目組反饋應(yīng)用意見 ，促進(jìn)產(chǎn)品改進(jìn)與完善 ，推動(dòng)了我國(guó)高精度原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光 器“研發(fā)—生產(chǎn)—應(yīng)用 ”產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)發(fā)展。

該成果已在量子精密計(jì)量領(lǐng)域的原子鐘、重力儀、干涉儀等裝備實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用，打 破國(guó)外封鎖 。成果發(fā)表論文 41 篇 ，他引 234 次 ，申請(qǐng)及授權(quán)專利 25 項(xiàng) 。2023 年 8 月 11 日 ，中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)組織召開項(xiàng)目成果鑒定會(huì) ，李得天院士等 7 位鑒定委員會(huì)成 員評(píng)價(jià)：“該技術(shù)成果總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平 ，其中 ，高信噪比速度光柵光譜技術(shù) 、原 子調(diào)制轉(zhuǎn)移譜特征識(shí)別自鎖定技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先”。

二、案例具體做法

（一）案例詳情

原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光系統(tǒng)是量子精密計(jì)量設(shè)備的基石 ，能夠保證量子精密計(jì)量設(shè)備的穩(wěn)定精準(zhǔn) 、長(zhǎng)效可用。但傳統(tǒng)穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光系統(tǒng)存在穩(wěn)定性不足 、操作復(fù)雜 、體 積龐雜等局限 ，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用場(chǎng)景和范圍 。針對(duì)中美科技博弈對(duì)抗造成的高端激 光系統(tǒng)管制禁運(yùn)的現(xiàn)狀，我國(guó)迫切需要研制出自主可控的原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光系統(tǒng)，支撐相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。

實(shí)現(xiàn)原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的有效應(yīng)用 ，必須解決四大關(guān)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(shí)現(xiàn)優(yōu) 越的穩(wěn)定度性能 ，無法滿足量子精密計(jì)量領(lǐng)域?qū)Ψ€(wěn)頻激光系統(tǒng)低頻率噪聲的應(yīng)用需 求。（2）操作復(fù)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(hù) ，對(duì)用戶要求高 ，且難以長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行 ，無法滿足量子精密計(jì)量領(lǐng)域?qū)τ诜€(wěn)頻激光系統(tǒng)一鍵鎖 定長(zhǎng)期運(yùn)行的應(yīng)用需求。（3）依賴進(jìn)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(jìn)口 ，難以滿足量子計(jì)量精密領(lǐng)域?qū)Ψ€(wěn)頻激光系統(tǒng)自主可控的需求。（4）應(yīng)用 受限 ：傳統(tǒng)原子穩(wěn)頻激光系統(tǒng)模塊分散 、接口復(fù)雜 ，局限于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境使用 ，無法滿 足量子精密計(jì)量的多領(lǐng)域 、多場(chǎng)景 、易操作 、可搬運(yùn)的應(yīng)用需求。

針對(duì)以上核心關(guān)鍵問題 ，開展系列技術(shù)攻關(guān) 。首創(chuàng)速度光柵光譜技術(shù) ，實(shí)現(xiàn)國(guó)際最高水平原子光譜信噪比 ，頻率穩(wěn)定度優(yōu)于國(guó)際先進(jìn)水平；通過開發(fā)原子調(diào)制轉(zhuǎn)移譜特征識(shí)別自鎖定技術(shù)及多參數(shù)自動(dòng)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(fù)雜 、容易失鎖等問題 ，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(xiàn)系統(tǒng)開機(jī)一鍵自動(dòng)尋譜鎖定功能 ，開機(jī)自動(dòng)尋譜時(shí)間小于 2 分鐘 ，偶發(fā)失鎖自動(dòng)恢復(fù)時(shí)間 小于 5 秒 ，極大擴(kuò)展了穩(wěn)頻激光系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景與適用范圍 ；突破原子穩(wěn)頻專用鍍?cè)?透膜激光二極管等關(guān)鍵器件國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)工藝 ，研制了國(guó)產(chǎn)化自主可控的原子穩(wěn)頻激光 系統(tǒng) ，解決了我國(guó)穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器核心器部件依賴進(jìn)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(gòu)建 標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)線并實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)銷售 ，成果用于成都天奧電子公司激光抽運(yùn)銫原子鐘 ，實(shí)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(jì)量領(lǐng)域推廣應(yīng)用 ，打破了穩(wěn)頻激光系統(tǒng)的國(guó)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(jì)量領(lǐng)域推廣應(yīng)用，助 力解決“卡脖子 ”問題。

1. 原子鐘

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

（2）噴泉原子鐘 ：原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光系統(tǒng)作為冷卻光與重泵光應(yīng)用于中國(guó)計(jì)量 科學(xué)研究院的 NIM6 基準(zhǔn)噴泉鐘（時(shí)頻研究所）與小型銫噴泉鐘（基準(zhǔn)工藝研究所），對(duì) 比德國(guó) Toptica 產(chǎn)品 ，本系統(tǒng)集成度高 ，操作簡(jiǎn)便 ，長(zhǎng)期連續(xù)可靠運(yùn)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(dǎo)體激光系統(tǒng)應(yīng)用于北京無線電計(jì)量研究所的冷原子微波鐘 ，對(duì)標(biāo)德國(guó) 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(jiǎn)便 ，解決了原子穩(wěn)頻激光系統(tǒng)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的問題。

2. 原子重力儀

原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光系統(tǒng)應(yīng)用于上海凌波光電有限公司原子干涉儀 ，激光鎖定重復(fù)性好 ，頻率穩(wěn)定度高 ，滿足原子干涉重力儀對(duì)激光的性能要求 。激光器實(shí)現(xiàn)了集成化設(shè)計(jì) ，體積小 ，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 。可通過通信端口實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)鎖定 ，偶發(fā)失鎖可在短時(shí)間重新恢復(fù)鎖定 ，有助于推動(dòng)重力儀的產(chǎn)業(yè)化。

原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光系統(tǒng)應(yīng)用于浙江省量子精密測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（浙江工業(yè)大學(xué)）的原 子重力儀，該激光系統(tǒng)具備國(guó)際獨(dú)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(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

3. 原子陀螺儀

原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光系統(tǒng)應(yīng)用于清華大學(xué)原子陀螺儀 ，激光系統(tǒng)集成度高 ，具備 獨(dú)有的一鍵尋譜鎖定和自動(dòng)回鎖功能 ，可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)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(guān)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)中發(fā)揮了重要作用 ，該系統(tǒng)在量子精密測(cè) 量領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

4. 激光原子物理

原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光系統(tǒng)應(yīng)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(shí)現(xiàn)光電結(jié)構(gòu)一體化集成 ，有效降低了探測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜度 。產(chǎn)品具有的一鍵尋譜鎖定與自動(dòng)回鎖功能為國(guó)際首創(chuàng) ，可確保激光長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行 ，極大簡(jiǎn)化操作過程。

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(xiàn)國(guó)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(guó)際首次提出速度光柵譜技術(shù)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(jìn)而量級(jí)提升激光穩(wěn)頻系統(tǒng)的穩(wěn)定 度 。光譜信噪比達(dá)到 300 萬 ，優(yōu)于美國(guó) JILA 同類系統(tǒng)約 3 倍 ，為所見報(bào)道的國(guó)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(xiàn)對(duì)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(guó)際同類商用激光穩(wěn)頻系統(tǒng) 1 ～ 2 個(gè)量級(jí) ，優(yōu) 于國(guó)際先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室同類系統(tǒng)指標(biāo) 1.25 倍。

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

（1）首次實(shí)現(xiàn)特征尋譜自鎖定技術(shù) 。基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜技術(shù)方案，創(chuàng)新研發(fā)激光穩(wěn)頻多參數(shù)自動(dòng)協(xié)調(diào)尋譜智能化算法 ，克服了傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器易跳模、原子譜線尋譜困難 等問題 ，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的溫度和電流參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié) 。具備系統(tǒng)開機(jī)一鍵自動(dòng)尋譜鎖定功 能 ，開機(jī)自動(dòng)尋譜時(shí)間小于 2 分鐘 ，極大擴(kuò)展了穩(wěn)頻激光系統(tǒng)的應(yīng)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(duì)傳統(tǒng)激光穩(wěn)頻系統(tǒng)易受外部機(jī)械振動(dòng) 、溫度電 流變化導(dǎo)致頻率失鎖的問題，基于激光穩(wěn)頻智能化算法，通過構(gòu)建特征光譜數(shù)據(jù)庫，并 創(chuàng)新使用特征識(shí)別 、模糊匹配 、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)方法 ，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)失鎖后快速重新尋譜 鎖定 。偶發(fā)失鎖自動(dòng)恢復(fù)時(shí)間小于 5 秒 ，從而達(dá)到系統(tǒng)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。

   3. 突破核心器件國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)工藝

（1）成功研制國(guó)產(chǎn)化專用鍍?cè)鐾改ぜす舛O管 。首次突破專用鍍?cè)鐾改?guó)產(chǎn)化激光二極管生產(chǎn)工藝 。創(chuàng)新開發(fā)穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器專用鍍膜工藝技術(shù) ，有效控制材料生 長(zhǎng) ，成功研制國(guó)產(chǎn)化鍍?cè)鐾改さ募す舛O管 ，完成對(duì)刻蝕寬度和深度的優(yōu)化設(shè)計(jì) ，實(shí) 現(xiàn)自主可控批量化生產(chǎn) 。基于國(guó)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(dá)到進(jìn)口同類產(chǎn)品水平 ，解決了我國(guó)原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器 核心器部件依賴進(jìn)口的“卡脖子 ”問題。

（2）實(shí)現(xiàn)激光電控系統(tǒng)集成一體化 。突破集成一體化設(shè)計(jì)技術(shù) ，對(duì)系統(tǒng)熱量耗散 與分布、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)光源、穩(wěn)頻系統(tǒng)、電學(xué)模塊一體化集成，將 穩(wěn)頻半導(dǎo)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(guó)際同類產(chǎn) 品的 1/4 ，顯著提升用戶使用效益。

（二）推廣價(jià)值

項(xiàng)目已構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)線并實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)銷售 。實(shí)現(xiàn)了工程可用的自鎖定原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光系統(tǒng)，建立了自鎖定原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)線。系統(tǒng)具有體積小巧 、 集成度高 、易于搬運(yùn)等顯著優(yōu)勢(shì) ，可滿足小銫鐘移動(dòng)式應(yīng)用需求并顯著提升整鐘指 標(biāo) 。實(shí)現(xiàn)在量子精密計(jì)量領(lǐng)域的推廣應(yīng)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(jì)量領(lǐng)域推廣應(yīng)用 。成果應(yīng)用于成都天奧電子股份有限公司新型激光 抽運(yùn)銫原子鐘 ，實(shí)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(duì)我禁售同 類產(chǎn)品 5071A ，穩(wěn)定度指標(biāo)提升 4 倍。

本項(xiàng)目成果可廣泛運(yùn)用于國(guó)防軍事 、導(dǎo)航授時(shí) 、前沿科學(xué)探索 、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng) 域 。預(yù)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模如下：

（1）國(guó)防軍事領(lǐng)域 ：可應(yīng)用于軍工計(jì)量 、導(dǎo)航授時(shí) 、量子精密測(cè)量等領(lǐng)域 ，市場(chǎng) 規(guī)模需求約 50 億元。

（2）前沿科學(xué)探索 ：可應(yīng)用于星載原子鐘 、星間激光通信 、空間引力波探測(cè)等領(lǐng) 域 ，市場(chǎng)規(guī)模需求約 10 億元。

（3）環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域 ：儀器儀表市場(chǎng)規(guī)模需求約 50 億元。

（三）體會(huì)感受

原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器的成功研制 ，解決了我國(guó)量子精密計(jì)量 、原子物理 、國(guó)   防裝備等領(lǐng)域面臨的穩(wěn)頻激光系統(tǒng)穩(wěn)定性差 、體積龐大 、嚴(yán)重依賴進(jìn)口等“卡脖子 ” 問題 。成果實(shí)現(xiàn)了技術(shù)引領(lǐng)和跨越式發(fā)展 ，應(yīng)用前景廣闊 ，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益重大 。研   究成果打破國(guó)外對(duì)我國(guó)穩(wěn)頻激光系統(tǒng)的壟斷管制和禁運(yùn) ，培育促進(jìn)了半導(dǎo)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(yīng)用領(lǐng)域。

（1）半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域 ：原子穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光系統(tǒng)打破了國(guó)外對(duì)我國(guó)高端半導(dǎo)體 激光器的壟斷管制和禁運(yùn) ，構(gòu)建了高性能穩(wěn)頻激光器“器件—整機(jī)—應(yīng)用 ”產(chǎn)業(yè)鏈，使我國(guó)在國(guó)際高精度半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從“跟跑 ”“并跑 ”到“領(lǐng)跑 ”的轉(zhuǎn)變。

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

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