張首剛(右二)在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心實(shí)驗(yàn)室與科研團(tuán)隊(duì)成員交流。

國(guó)家授時(shí)中心部分授權(quán)專(zhuān)利。

張首剛團(tuán)隊(duì)研發(fā)的世界首款新型守時(shí)原子鐘產(chǎn)品——光抽運(yùn)小銫鐘。

　　日前，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局公布了第二十三屆中國(guó)專(zhuān)利獎(jiǎng)授獎(jiǎng)決定。我省29項(xiàng)專(zhuān)利獲中國(guó)專(zhuān)利獎(jiǎng)，其中金獎(jiǎng)1項(xiàng)、銀獎(jiǎng)2項(xiàng)、優(yōu)秀獎(jiǎng)26項(xiàng)，獲獎(jiǎng)項(xiàng)目數(shù)量較上屆增長(zhǎng)93.3%，為歷屆最多。

　　中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心主任、首席科學(xué)家張首剛團(tuán)隊(duì)的發(fā)明專(zhuān)利“基于銫原子飽和吸收譜的半導(dǎo)體自動(dòng)穩(wěn)頻激光器”獲得金獎(jiǎng)，為陜西捧回了我國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)領(lǐng)域的最高榮譽(yù)。

　　張首剛介紹，該發(fā)明專(zhuān)利可應(yīng)用于銫原子鐘研制和相關(guān)精密光譜觀測(cè)，其直接應(yīng)用成果——光抽運(yùn)小銫鐘打破了小銫鐘產(chǎn)品的國(guó)外壟斷，應(yīng)用于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和北極科考任務(wù)，并在5G、電力等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，滿(mǎn)足了國(guó)家重大需求，保障了我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間自主可控。

　　除此之外，張首剛和他的團(tuán)隊(duì)數(shù)十年如一日，在時(shí)間頻率領(lǐng)域開(kāi)拓創(chuàng)新，突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，自主研發(fā)系列核心設(shè)備，將我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的偏差從30納秒減小至3納秒，綜合性能躍居世界前三，為我國(guó)時(shí)間頻率研究水平和服務(wù)能力整體躋身國(guó)際前列作出重大貢獻(xiàn)，擦亮了“北京時(shí)間，源自陜西”的科技名片……

　　■ 十年磨一劍 打破國(guó)外壟斷

　　什么是時(shí)間?是海枯石爛、地老天荒的浪漫?還是光陰似箭、只爭(zhēng)朝夕的豪情?

　　“在自然科學(xué)中，時(shí)間是標(biāo)注事件發(fā)生瞬間和持續(xù)歷程的一個(gè)基本物理量，是目前測(cè)量精度最高的物理量，也是應(yīng)用最廣的物理量，其服務(wù)和應(yīng)用支撐著社會(huì)運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)家安全，特別是在數(shù)字通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、航天航空等領(lǐng)域發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用。”張首剛說(shuō)。

　　有關(guān)原子鐘或原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷史過(guò)程。電磁理論的集大成者——著名物理學(xué)家麥克斯韋1873年就有論斷“通過(guò)周期性振動(dòng)……可以找到一種更普適的時(shí)間單位”。直到1937年，Rabi和Ramsey等物理學(xué)家基于原子束平臺(tái)取得的一系列革命性科學(xué)突破，才真正使原子鐘的發(fā)明成為可能。作為能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率信號(hào)并有時(shí)間計(jì)數(shù)功能的原子鐘，如今已經(jīng)成為時(shí)間精密測(cè)量的關(guān)鍵核心設(shè)備，它不僅是國(guó)家戰(zhàn)略資源，事關(guān)國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)運(yùn)行，更是國(guó)家話語(yǔ)權(quán)的體現(xiàn)。

　　1956年，第一個(gè)商品銫束原子鐘誕生，關(guān)于其性能改進(jìn)的研究迅速吸引了國(guó)際學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。此時(shí)，原子鐘的代表產(chǎn)品是美國(guó)HP(惠普)公司開(kāi)發(fā)的小型銫束原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，又稱(chēng)磁選態(tài)小銫鐘。然而，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，美國(guó)獨(dú)家壟斷的原子鐘——磁選態(tài)小銫鐘一直是世界各國(guó)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的守時(shí)應(yīng)用主流產(chǎn)品，但美國(guó)政府實(shí)行嚴(yán)格出口管控，限定應(yīng)用范圍。張首剛以一個(gè)戰(zhàn)略科學(xué)家的敏銳眼光認(rèn)識(shí)到問(wèn)題的嚴(yán)重性。如何在時(shí)間領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)?他下定決心，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研發(fā)新型光抽運(yùn)小銫鐘。這是一種研發(fā)知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘尚未形成且理論性能更優(yōu)的原子鐘產(chǎn)品。

　　新型光抽運(yùn)小銫鐘由激光系統(tǒng)、銫束管和電路系統(tǒng)組成，其中激光系統(tǒng)有兩大作用：一是銫原子量子態(tài)制備——只有顯著改變?cè)踊鶓B(tài)各子能級(jí)粒子數(shù)常規(guī)分布，才有可能發(fā)現(xiàn)原子與微波場(chǎng)的相互作用后原子各子能級(jí)粒子數(shù)變化;二是探測(cè)鐘躍遷幾率信號(hào)——原子各子能級(jí)粒子數(shù)變化反映著不同子能級(jí)間原子的量子躍遷幾率，躍遷幾率用于實(shí)時(shí)調(diào)整原子鐘時(shí)間頻率信號(hào)輸出數(shù)值，可以通過(guò)激光誘導(dǎo)原子產(chǎn)生熒光，再通過(guò)熒光探測(cè)實(shí)現(xiàn)較傳統(tǒng)電探測(cè)靈敏度更高的躍遷幾率探測(cè)。因此，激光系統(tǒng)工程化便成為光抽運(yùn)小銫鐘攻關(guān)研制的核心內(nèi)容。

　　“光抽運(yùn)小銫鐘所需的激光頻率高達(dá)352THz(1THz=10¹²Hz)，且為了與銫原子發(fā)生共振，激光頻率須十分準(zhǔn)確和穩(wěn)定，這對(duì)激光系統(tǒng)工程化提出了巨大挑戰(zhàn)。簡(jiǎn)而言之，研發(fā)新型光抽運(yùn)小銫鐘產(chǎn)品的難題就在于能否突破既準(zhǔn)又穩(wěn)的激光產(chǎn)生技術(shù)。”張首剛團(tuán)隊(duì)成員、國(guó)家授時(shí)中心科研人員李孝峰說(shuō)。

　　2009年起，張首剛團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了年復(fù)一年、日復(fù)一日地技術(shù)攻關(guān)，從裝置材料選用、組合角度、光路選擇等方面反復(fù)搭配、重復(fù)試驗(yàn)。“我的幾位同事都患有腰椎間盤(pán)突出，因?yàn)槲覀冊(cè)诠鈱W(xué)平臺(tái)工作時(shí)正好是俯視的角度，經(jīng)常一干就是幾個(gè)小時(shí)不停歇，晚上還要加班，長(zhǎng)年累月下來(lái)就有了這個(gè)職業(yè)病。”李孝峰說(shuō)。

　　功夫不負(fù)有心人。張首剛團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新利用了銫原子飽和吸收原理，在激光器中設(shè)計(jì)了移頻光路，可直接在激光器上進(jìn)行光斑調(diào)節(jié)、移頻操作和自動(dòng)穩(wěn)頻，具有工作穩(wěn)定、靈敏度高、功能多、使用方便、受外界環(huán)境干擾小、可同時(shí)輸出兩束有頻差的窄線寬激光等優(yōu)勢(shì)。

　　“相比一般半導(dǎo)體激光器，我們將光頻鎖定、抽運(yùn)光產(chǎn)生和探測(cè)光產(chǎn)生三項(xiàng)功能模塊全部集成到一個(gè)小型裝置中，實(shí)現(xiàn)了光抽運(yùn)小銫鐘穩(wěn)頻激光的可靠產(chǎn)生，滿(mǎn)足了其對(duì)光源魯棒性、高性能和小體積的多種要求，為光抽運(yùn)小銫鐘產(chǎn)品的誕生奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。我們也申請(qǐng)了相關(guān)專(zhuān)利，其中就包括此次獲得金獎(jiǎng)的發(fā)明專(zhuān)利。”李孝峰說(shuō)。

　　2017年，國(guó)家授時(shí)中心聯(lián)合相關(guān)企業(yè)推出了新型守時(shí)原子鐘——世界首款光抽運(yùn)小銫鐘產(chǎn)品;2018年開(kāi)始，光抽運(yùn)小銫鐘產(chǎn)品逐步替代美國(guó)禁運(yùn)小銫鐘產(chǎn)品，應(yīng)用于我國(guó)多個(gè)重要領(lǐng)域，打破了國(guó)外長(zhǎng)期壟斷;2021年11月，3臺(tái)國(guó)產(chǎn)小銫鐘在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)算中取得權(quán)重，并被國(guó)際權(quán)度局推薦給各國(guó)用于其標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的產(chǎn)生，產(chǎn)品出口歐洲……

　　■ 確保“北京時(shí)間”自主可控

　　我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是“北京時(shí)間”，作為我國(guó)唯一的專(zhuān)門(mén)、全面從事時(shí)間頻率基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的科研機(jī)構(gòu)，國(guó)家授時(shí)中心承擔(dān)著“北京時(shí)間”的產(chǎn)生、保持和發(fā)播任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)“北京時(shí)間”的自主可控，張首剛和他的團(tuán)隊(duì)近20年一直奮斗在科技創(chuàng)新一線。

　　2005年，張首剛從法國(guó)學(xué)成歸國(guó)后，服從組織安排，只身來(lái)到位于陜西臨潼的國(guó)家授時(shí)中心，主持原子鐘研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間研究。

　　他從零開(kāi)始，從單位一間地下室起步，搭建平臺(tái)、招募人才，創(chuàng)建量子頻標(biāo)研究團(tuán)隊(duì)，開(kāi)始研制國(guó)家的時(shí)間基準(zhǔn)鐘——冷原子銫噴泉鐘。

　　高精度時(shí)間頻率是國(guó)家戰(zhàn)略資源，事關(guān)國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。張首剛勉勵(lì)團(tuán)隊(duì)成員：“‘國(guó)家人’要做好‘國(guó)家事’，‘國(guó)家隊(duì)’要擔(dān)起‘國(guó)家責(zé)’。”

　　“張老師要求我們以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生的自主可控與性能提升為己任，以建設(shè)安全可靠的高精度國(guó)家授時(shí)系統(tǒng)為目標(biāo)，支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。”張首剛團(tuán)隊(duì)成員、國(guó)家授時(shí)中心科研人員孫富宇說(shuō)。

　　經(jīng)過(guò)近20年的埋頭苦干，張首剛建立起的國(guó)家授時(shí)中心量子頻標(biāo)研究室已擁有近百名中青年科研人員，并發(fā)展成為中科院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。除了世界首款光抽運(yùn)小銫鐘產(chǎn)品，他還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自主研制了國(guó)際先進(jìn)的基準(zhǔn)型銫原子噴泉鐘以及7種不同應(yīng)用類(lèi)型的新型原子鐘。

　　以團(tuán)隊(duì)研制的2臺(tái)具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的冷原子銫噴泉鐘為例，其在國(guó)際上第二個(gè)實(shí)現(xiàn)了超高穩(wěn)定的光生微波源，穩(wěn)定度和不確定度性能達(dá)到世界先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了“北京時(shí)間”自主校準(zhǔn)，確保特殊時(shí)期國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的準(zhǔn)確性，真正“守住了國(guó)家時(shí)間”。

　　近20年，張首剛團(tuán)隊(duì)始終面向國(guó)家重大需求和經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)，致力于時(shí)頻領(lǐng)域科技攻關(guān)和創(chuàng)新——

　　提出并建成了多技術(shù)融合的世界時(shí)自主測(cè)量與服務(wù)系統(tǒng)，保障了“嫦娥五號(hào)”“天問(wèn)一號(hào)”等任務(wù)執(zhí)行，使我國(guó)擺脫了長(zhǎng)期對(duì)國(guó)外世界時(shí)數(shù)據(jù)的依賴(lài);

　　主持研發(fā)了性能?chē)?guó)際領(lǐng)先、體積最小的芯片原子鐘，打破國(guó)外壟斷，裝備于衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備、通信終端;

　　建議的“空間站高精度時(shí)頻科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”、“十三五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高精度地基授時(shí)系統(tǒng)”項(xiàng)目獲批并主持實(shí)施;

　　建成國(guó)際首個(gè)10皮秒(即一萬(wàn)億分之一秒)級(jí)精度的千公里實(shí)地光纖時(shí)間傳遞系統(tǒng)，奠定了我國(guó)天地授時(shí)技術(shù)融合基礎(chǔ)。

　　■ 為國(guó)家高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)“時(shí)間”力量

　　近年來(lái)，國(guó)家授時(shí)中心為什么會(huì)源源不斷地產(chǎn)生創(chuàng)新成果?“我覺(jué)得一方面在于我們制定了一系列鼓勵(lì)和支持科技創(chuàng)新的制度和措施，帶動(dòng)科研人員聚焦主責(zé)主業(yè)，面向世界科技前沿和國(guó)家重大需求，甘坐冷板凳，做好科學(xué)研究。另一方面，是我們加強(qiáng)了人才隊(duì)伍建設(shè)，組織了成建制的科研團(tuán)隊(duì)，圍繞‘卡脖子’問(wèn)題進(jìn)行集中科技攻關(guān)。”國(guó)家授時(shí)中心科技處處長(zhǎng)任曉乾如是說(shuō)。

　　前不久，張首剛領(lǐng)銜研制的中國(guó)空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙“高精度時(shí)頻科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”已運(yùn)抵海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)，這將成為空間運(yùn)行的最高精度時(shí)頻信號(hào)產(chǎn)生和傳遞系統(tǒng)。

　　構(gòu)建空間站高精度時(shí)頻科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是張首剛團(tuán)隊(duì)打造的又一面“中國(guó)大鐘”。“空間高精度時(shí)間頻率對(duì)科學(xué)研究和工程應(yīng)用意義重大，可利用空間微重力環(huán)境和航天員照料等條件，實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間頻率空間產(chǎn)生和空地傳遞系統(tǒng)，為相關(guān)精密測(cè)量物理提供研究平臺(tái)，為相關(guān)工程技術(shù)應(yīng)用提供高精度時(shí)頻信號(hào)。”張首剛說(shuō)。

　　經(jīng)過(guò)10余年的努力，在張首剛帶領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)在地面光鐘研制基礎(chǔ)上，按照航天產(chǎn)品的多項(xiàng)要求突破了系列關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)系統(tǒng)與工藝再造，將一個(gè)復(fù)雜又精密、體積達(dá)20多立方米的龐大實(shí)驗(yàn)室光鐘系統(tǒng)“裝進(jìn)”了不到1立方米的空間站實(shí)驗(yàn)柜，將成為世界第一臺(tái)“上天”的光鐘。目前，這臺(tái)光鐘正在文昌靜待發(fā)射時(shí)刻。

　　“這是空間站箱內(nèi)最復(fù)雜、難度最大、國(guó)際影響也很大的系統(tǒng)，空間站時(shí)頻系統(tǒng)將融合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、地基授時(shí)系統(tǒng)，預(yù)計(jì)在5年內(nèi)，我們將建成世界上獨(dú)一無(wú)二的天地融合、立體交叉的國(guó)家授時(shí)系統(tǒng)。”張首剛說(shuō)。

　　據(jù)介紹，上述立體交叉授時(shí)系統(tǒng)建成后，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能包括自主運(yùn)行能力將會(huì)進(jìn)一步提升，應(yīng)用地面授時(shí)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航定位。同時(shí)，長(zhǎng)距離、跨區(qū)域重大設(shè)施之間的時(shí)間同步精度也可以提高四個(gè)到五個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)科學(xué)研究和國(guó)家安全意義重大。對(duì)大眾來(lái)說(shuō)，這同樣是利好消息，我們的生活會(huì)更加便利，包括數(shù)字通信將會(huì)更快捷、無(wú)人駕駛將會(huì)更安全等。

　　“授時(shí)系統(tǒng)是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)運(yùn)行和國(guó)家安全的重大基礎(chǔ)設(shè)施，服務(wù)能力體現(xiàn)著一個(gè)國(guó)家綜合科技實(shí)力。我們將弘揚(yáng)‘兩彈一星’精神和科學(xué)家精神，打造創(chuàng)新文化，投身造鐘事業(yè)，更好支撐國(guó)家利益的空間拓展和國(guó)家高質(zhì)量發(fā)展。”張首剛說(shuō)，“國(guó)家利益拓展到哪里，我們的授時(shí)服務(wù)就延伸到哪里。國(guó)家利益到了深海，我們的授時(shí)服務(wù)就到深海;國(guó)家利益到了火星，我們的授時(shí)服務(wù)就到火星!”　(記者 霍強(qiáng)文/圖)