一、案例概况

（一）背景摘要

稳频半导体激光系统是量子精密计量领域开展前沿科学的基础仪器 ，是国防军事装备系统的核心器件 ，广泛运用于原子钟 、原子重力仪 、原子陀螺仪等量子精密计量 、原子物理 、国防装备领域 ，对国家经济发展和国防安全建设具有战略意义 。但目前我国稳 频半导体激光器系统研究相对薄弱 ，产品 95% 以上依赖进口 ，市场被国外公司长期垄断 ，且对国内国防工业部门禁售 ，存在严重“卡脖子 ”问题 。此外 ，市面销售的稳频半 导体激光系统还存在稳定性差、操作复杂 、体积庞杂等局限 ，严重限制了其应用场景和范围 。为此 ，研制国产化稳频半导体激光系统并形成自主可控的产业链条 ，实现高稳定性 、高智能化 、 自主可控 、规模应用的稳频激光系统 ，具有迫切需求和重大意义。

（二）案例简介

面向量子精密计量 、原子物理 、国防装备等领域对自锁定高稳频激光器自主可控 的需求 ，突破高信噪比速度光栅光谱 、调制转移谱特征识别自锁定等关键技术 ，北京大学创新发展原子光谱高信噪比稳频技术 ，实现原子光谱信噪比 300 万 ，为所见报道的国际最高水平；原子稳频激光频率稳定度 3.6E-14 ，优于国际先进水平；创新实现原 子稳频半导体激光系统自锁定技术；创新研制高集成度自锁定原子稳频半导体激光系 统 。浙江法拉第激光科技有限公司通过与北京大学开展深入合作 ，基于北京大学专利技术转让成果 ，建立了国内首条高精度原子稳频半导体激光器的标准化生产线 ，研发 生产了系列化批产的全国产化高精度原子稳频半导体激光器 。研究产品的生产制造工 艺 ，提高激光器性能指标的稳定性和环境适应性；制定产品生产组装工艺流程 ，建立 成品测试平台，确保产品可靠性和一致性；联合应用单位，开展产品应用验证与推广，向 项目组反馈应用意见 ，促进产品改进与完善 ，推动了我国高精度原子稳频半导体激光 器“研发—生产—应用 ”产业链的建设发展。

该成果已在量子精密计量领域的原子钟、重力仪、干涉仪等装备实现了成功应用，打 破国外封锁 。成果发表论文 41 篇 ，他引 234 次 ，申请及授权专利 25 项 。2023 年 8 月 11 日 ，中国计量测试学会组织召开项目成果鉴定会 ，李得天院士等 7 位鉴定委员会成 员评价：“该技术成果总体达到国际先进水平 ，其中 ，高信噪比速度光栅光谱技术 、原 子调制转移谱特征识别自锁定技术达到国际领先”。

二、案例具体做法

（一）案例详情

原子稳频半导体激光系统是量子精密计量设备的基石 ，能够保证量子精密计量设备的稳定精准 、长效可用。但传统稳频半导体激光系统存在稳定性不足 、操作复杂 、体 积庞杂等局限 ，严重限制了其应用场景和范围 。针对中美科技博弈对抗造成的高端激 光系统管制禁运的现状，我国迫切需要研制出自主可控的原子稳频半导体激光系统，支撑相关领域的创新发展。

实现原子稳频半导体激光系统的有效应用 ，必须解决四大关键难题：（1）稳定 度差 ：传统原子稳频激光系统受谱线信噪比 、伺服反馈带宽等因素限制 ，难以实现优 越的稳定度性能 ，无法满足量子精密计量领域对稳频激光系统低频率噪声的应用需 求。（2）操作复杂 ：传统原子稳频激光系统操作步骤繁琐 ，需专业人员维护 ，对用户要求高 ，且难以长期连续运行 ，无法满足量子精密计量领域对于稳频激光系统一键锁 定长期运行的应用需求。（3）依赖进口 ：传统原子稳频激光系统激光二极管等核心器件依赖进口 ，难以满足量子计量精密领域对稳频激光系统自主可控的需求。（4）应用 受限 ：传统原子稳频激光系统模块分散 、接口复杂 ，局限于实验室环境使用 ，无法满 足量子精密计量的多领域 、多场景 、易操作 、可搬运的应用需求。

针对以上核心关键问题 ，开展系列技术攻关 。首创速度光栅光谱技术 ，实现国际最高水平原子光谱信噪比 ，频率稳定度优于国际先进水平；通过开发原子调制转移谱特征识别自锁定技术及多参数自动协调寻谱智能化算法 ，解决传统激光稳频系统操作 复杂 、容易失锁等问题 ，突破自动寻谱锁定 、失锁后自动回锁等关键技术 ，实现系统开机一键自动寻谱锁定功能 ，开机自动寻谱时间小于 2 分钟 ，偶发失锁自动恢复时间 小于 5 秒 ，极大扩展了稳频激光系统的应用场景与适用范围 ；突破原子稳频专用镀增 透膜激光二极管等关键器件国产化生产工艺 ，研制了国产化自主可控的原子稳频激光 系统 ，解决了我国稳频半导体激光器核心器部件依赖进口的“卡脖子 ”问题 ，激光功率大于 100 mW 、线宽约 95 kHz 、系统体积压缩至 8 L ，显著提升用户使用效益；构建 标准化生产线并实现批产销售 ，成果用于成都天奥电子公司激光抽运铯原子钟 ，实现系列产品在原子钟 、原子重力仪 、原子干涉仪等量子精密计量领域推广应用 ，打破了稳频激光系统的国外垄断。

（二）具体成效

系列化产品在原子钟、原子重力仪、原子干涉仪等量子精密计量领域推广应用，助 力解决“卡脖子 ”问题。

1. 原子钟

（1）光抽运小铯钟 ：2019 年 8 月至今 ，原子稳频半导体激光系统作为核心部件应用于成都天奥电子股份有限公司生产的光抽运小铯钟 ，使光抽运小铯钟性能指标达到 国际先进水平 ，优于美国禁售产品 5071A 稳定度指标近 4 倍 。 目前 ，基于此自稳频激 光部件的光抽运小铯钟已在各军民应用场景开展试用 ，基本满足用户应用需求。

（2）喷泉原子钟 ：原子稳频半导体激光系统作为冷却光与重泵光应用于中国计量 科学研究院的 NIM6 基准喷泉钟（时频研究所）与小型铯喷泉钟（基准工艺研究所），对 比德国 Toptica 产品 ，本系统集成度高 ，操作简便 ，长期连续可靠运行 ，提升了系统 稳定性。

（3）冷原子微波钟 ：原子稳频半导体激光系统应用于北京无线电计量研究所的冷原子微波钟 ，对标德国 Toptica 产品 ， 自锁定稳频激光系统稳定度性能更优 ，集成度更 高 ，一键寻谱锁定和回锁操作简便 ，解决了原子稳频激光系统长期依赖进口的问题。

2. 原子重力仪

原子稳频半导体激光系统应用于上海凌波光电有限公司原子干涉仪 ，激光锁定重复性好 ，频率稳定度高 ，满足原子干涉重力仪对激光的性能要求 。激光器实现了集成化设计 ，体积小 ，结构稳定 。可通过通信端口实现一键自动锁定 ，偶发失锁可在短时间重新恢复锁定 ，有助于推动重力仪的产业化。

原子稳频半导体激光系统应用于浙江省量子精密测量重点实验室（浙江工业大学）的原 子重力仪，该激光系统具备国际独有的自动寻谱锁定和自动回锁功能，提升了重力仪系统的环境适应性与长期稳定性。

3. 原子陀螺仪

原子稳频半导体激光系统应用于清华大学原子陀螺仪 ，激光系统集成度高 ，具备 独有的一键寻谱锁定和自动回锁功能 ，可长期稳定运行 ，锁定后稳定度及线宽等性能良好 ，在原子干涉陀螺仪相关关键技术攻关中发挥了重要作用 ，该系统在量子精密测 量领域具有广阔的应用前景。

4. 激光原子物理

原子稳频半导体激光系统应用于深圳网联光仪科技有限公司里德堡原子研究 ，该 激光系统实现光电结构一体化集成 ，有效降低了探测系统复杂度 。产品具有的一键寻谱锁定与自动回锁功能为国际首创 ，可确保激光长期连续运行 ，极大简化操作过程。

三、案例创新点

（一）案例实施的创新点

   1. 首创速度光栅光谱技术 ， 实现国际最高水平原子光谱信噪比

（1）首创提出速度光栅谱技术方案 。国际首次提出速度光栅谱技术方案 ，创新采 用脉冲调制宽谱梳齿型激光方案 ，克服了热原子利用效率较低的问题 ，降低热原子体系量子投影噪声极限 ，从而大幅度提高信噪比 ，进而量级提升激光稳频系统的稳定 度 。光谱信噪比达到 300 万 ，优于美国 JILA 同类系统约 3 倍 ，为所见报道的国际最高 水平。

（2）创新发展宽带宽快速伺服反馈技术 。创新采用压电陶瓷（PZT）反馈环路 、激 光电流和快速激光管反馈环路，实现对不同频率噪声的压制，有效提升系统带宽增益。锁 频后激光频率稳定度优于 3.6E-14 ，优于国际同类商用激光稳频系统 1 ～ 2 个量级 ，优 于国际先进实验室同类系统指标 1.25 倍。

2. 开发原子调制转移谱特征识别自锁定技术 ，解决传统激光稳频系统操作复杂、容 易失锁等问题

（1）首次实现特征寻谱自锁定技术 。基于调制转移谱技术方案，创新研发激光稳频多参数自动协调寻谱智能化算法 ，克服了传统半导体激光器易跳模、原子谱线寻谱困难 等问题 ，实现了系统的温度和电流参数的自动调节 。具备系统开机一键自动寻谱锁定功 能 ，开机自动寻谱时间小于 2 分钟 ，极大扩展了稳频激光系统的应用场景与适用范围。

（2）创新发展自动回锁技术 。针对传统激光稳频系统易受外部机械振动 、温度电 流变化导致频率失锁的问题，基于激光稳频智能化算法，通过构建特征光谱数据库，并 创新使用特征识别 、模糊匹配 、机器学习等技术方法 ，实现系统失锁后快速重新寻谱 锁定 。偶发失锁自动恢复时间小于 5 秒 ，从而达到系统长期连续运行。

   3. 突破核心器件国产化生产工艺

（1）成功研制国产化专用镀增透膜激光二极管 。首次突破专用镀增透膜国产化激光二极管生产工艺 。创新开发稳频半导体激光器专用镀膜工艺技术 ，有效控制材料生 长 ，成功研制国产化镀增透膜的激光二极管 ，完成对刻蚀宽度和深度的优化设计 ，实 现自主可控批量化生产 。基于国产化激光二极管 ，研制自主可控的自锁定原子稳频激 光系统 ，激光功率 、线宽达到进口同类产品水平 ，解决了我国原子稳频半导体激光器 核心器部件依赖进口的“卡脖子 ”问题。

（2）实现激光电控系统集成一体化 。突破集成一体化设计技术 ，对系统热量耗散 与分布、机械结构设计等方面进行优化，实现光源、稳频系统、电学模块一体化集成，将 稳频半导体激光系统体积规模压缩至 8 L 。系统高度集成化 ，体积规模仅为国际同类产 品的 1/4 ，显著提升用户使用效益。

（二）推广价值

项目已构建标准化产线并实现批产销售 。实现了工程可用的自锁定原子稳频半导体激光系统，建立了自锁定原子稳频半导体激光系统标准化产线。系统具有体积小巧 、 集成度高 、易于搬运等显著优势 ，可满足小铯钟移动式应用需求并显著提升整钟指 标 。实现在量子精密计量领域的推广应用 ，系列产品在原子钟 、原子重力仪 、原子干 涉仪等量子精密计量领域推广应用 。成果应用于成都天奥电子股份有限公司新型激光 抽运铯原子钟 ，实现百秒稳定度 2.0E-13 ，万秒稳定度 2.0E-14 ，相较于美对我禁售同 类产品 5071A ，稳定度指标提升 4 倍。

本项目成果可广泛运用于国防军事 、导航授时 、前沿科学探索 、环境监测等领 域 。预计市场规模如下：

（1）国防军事领域 ：可应用于军工计量 、导航授时 、量子精密测量等领域 ，市场 规模需求约 50 亿元。

（2）前沿科学探索 ：可应用于星载原子钟 、星间激光通信 、空间引力波探测等领 域 ，市场规模需求约 10 亿元。

（3）环境监测领域 ：仪器仪表市场规模需求约 50 亿元。

（三）体会感受

原子稳频半导体激光器的成功研制 ，解决了我国量子精密计量 、原子物理 、国   防装备等领域面临的稳频激光系统稳定性差 、体积庞大 、严重依赖进口等“卡脖子 ” 问题 。成果实现了技术引领和跨越式发展 ，应用前景广阔 ，经济和社会效益重大 。研   究成果打破国外对我国稳频激光系统的垄断管制和禁运 ，培育促进了半导体芯片 、原   子气室 、干涉滤光片等器件产业发展 ，同时带动原子钟 、原子干涉仪 、原子重力仪等   下游应用领域。

（1）半导体激光器领域 ：原子稳频半导体激光系统打破了国外对我国高端半导体 激光器的垄断管制和禁运 ，构建了高性能稳频激光器“器件—整机—应用 ”产业链，使我国在国际高精度半导体激光器领域实现从“跟跑 ”“并跑 ”到“领跑 ”的转变。

（2）量子精密计量领域 ：推动我国量子精密计量领域原子钟 、原子干涉仪 、

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