張首剛(右二)在中國科學(xué)院國家授時中心實驗室與科研團隊成員交流。

國家授時中心部分授權(quán)專利。

張首剛團隊研發(fā)的世界首款新型守時原子鐘產(chǎn)品——光抽運小銫鐘。

　　日前，國家知識產(chǎn)權(quán)局公布了第二十三屆中國專利獎授獎決定。我省29項專利獲中國專利獎，其中金獎1項、銀獎2項、優(yōu)秀獎26項，獲獎項目數(shù)量較上屆增長93.3%，為歷屆最多。

　　中國科學(xué)院國家授時中心主任、首席科學(xué)家張首剛團隊的發(fā)明專利“基于銫原子飽和吸收譜的半導(dǎo)體自動穩(wěn)頻激光器”獲得金獎，為陜西捧回了我國知識產(chǎn)權(quán)領(lǐng)域的最高榮譽。

　　張首剛介紹，該發(fā)明專利可應(yīng)用于銫原子鐘研制和相關(guān)精密光譜觀測，其直接應(yīng)用成果——光抽運小銫鐘打破了小銫鐘產(chǎn)品的國外壟斷，應(yīng)用于國家標準時間產(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，滿足了國家重大需求，保障了我國標準時間自主可控。

　　除此之外，張首剛和他的團隊數(shù)十年如一日，在時間頻率領(lǐng)域開拓創(chuàng)新，突破多項關(guān)鍵技術(shù)，自主研發(fā)系列核心設(shè)備，將我國標準時間與國際標準時間的偏差從30納秒減小至3納秒，綜合性能躍居世界前三，為我國時間頻率研究水平和服務(wù)能力整體躋身國際前列作出重大貢獻，擦亮了“北京時間，源自陜西”的科技名片……

　　■ 十年磨一劍 打破國外壟斷

　　什么是時間?是?？菔癄€、地老天荒的浪漫?還是光陰似箭、只爭朝夕的豪情?

　　“在自然科學(xué)中，時間是標注事件發(fā)生瞬間和持續(xù)歷程的一個基本物理量，是目前測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)用支撐著社會運行、經(jīng)濟建設(shè)和國家安全，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。

　　有關(guān)原子鐘或原子頻率標準的發(fā)展，經(jīng)歷了漫長的歷史過程。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“通過周期性振動……可以找到一種更普適的時間單位”。直到1937年，Rabi和Ramsey等物理學(xué)家基于原子束平臺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)生標準時間頻率信號并有時間計數(shù)功能的原子鐘，如今已經(jīng)成為時間精密測量的關(guān)鍵核心設(shè)備，它不僅是國家戰(zhàn)略資源，事關(guān)國家安全和經(jīng)濟社會運行，更是國家話語權(quán)的體現(xiàn)。

　　1956年，第一個商品銫束原子鐘誕生，關(guān)于其性能改進的研究迅速吸引了國際學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。此時，原子鐘的代表產(chǎn)品是美國HP(惠普)公司開發(fā)的小型銫束原子頻率標準，又稱磁選態(tài)小銫鐘。然而，半個多世紀以來，美國獨家壟斷的原子鐘——磁選態(tài)小銫鐘一直是世界各國產(chǎn)生標準時間的守時應(yīng)用主流產(chǎn)品，但美國政府實行嚴格出口管控，限定應(yīng)用范圍。張首剛以一個戰(zhàn)略科學(xué)家的敏銳眼光認識到問題的嚴重性。如何在時間領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高水平科技自立自強?他下定決心，帶領(lǐng)團隊開始研發(fā)新型光抽運小銫鐘。這是一種研發(fā)知識產(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——只有顯著改變原子基態(tài)各子能級粒子數(shù)常規(guī)分布，才有可能發(fā)現(xiàn)原子與微波場的相互作用后原子各子能級粒子數(shù)變化;二是探測鐘躍遷幾率信號——原子各子能級粒子數(shù)變化反映著不同子能級間原子的量子躍遷幾率，躍遷幾率用于實時調(diào)整原子鐘時間頻率信號輸出數(shù)值，可以通過激光誘導(dǎo)原子產(chǎn)生熒光，再通過熒光探測實現(xiàn)較傳統(tǒng)電探測靈敏度更高的躍遷幾率探測。因此，激光系統(tǒng)工程化便成為光抽運小銫鐘攻關(guān)研制的核心內(nèi)容。

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

　　2009年起，張首剛團隊開始了年復(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。“我的幾位同事都患有腰椎間盤突出，因為我們在光學(xué)平臺工作時正好是俯視的角度，經(jīng)常一干就是幾個小時不停歇，晚上還要加班，長年累月下來就有了這個職業(yè)病。”李孝峰說。

　　功夫不負有心人。張首剛團隊創(chuàng)新利用了銫原子飽和吸收原理，在激光器中設(shè)計了移頻光路，可直接在激光器上進行光斑調(diào)節(jié)、移頻操作和自動穩(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、可同時輸出兩束有頻差的窄線寬激光等優(yōu)勢。

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

　　2017年，國家授時中心聯(lián)合相關(guān)企業(yè)推出了新型守時原子鐘——世界首款光抽運小銫鐘產(chǎn)品;2018年開始，光抽運小銫鐘產(chǎn)品逐步替代美國禁運小銫鐘產(chǎn)品，應(yīng)用于我國多個重要領(lǐng)域，打破了國外長期壟斷;2021年11月，3臺國產(chǎn)小銫鐘在國際標準時間計算中取得權(quán)重，并被國際權(quán)度局推薦給各國用于其標準時間的產(chǎn)生，產(chǎn)品出口歐洲……

　　■ 確保“北京時間”自主可控

　　我國國家標準時間是“北京時間”，作為我國唯一的專門、全面從事時間頻率基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的科研機構(gòu)，國家授時中心承擔(dān)著“北京時間”的產(chǎn)生、保持和發(fā)播任務(wù)。為實現(xiàn)“北京時間”的自主可控，張首剛和他的團隊近20年一直奮斗在科技創(chuàng)新一線。

　　2005年，張首剛從法國學(xué)成歸國后，服從組織安排，只身來到位于陜西臨潼的國家授時中心，主持原子鐘研發(fā)與標準時間研究。

　　他從零開始，從單位一間地下室起步，搭建平臺、招募人才，創(chuàng)建量子頻標研究團隊，開始研制國家的時間基準鐘——冷原子銫噴泉鐘。

　　高精度時間頻率是國家戰(zhàn)略資源，事關(guān)國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展。張首剛勉勵團隊成員：“‘國家人’要做好‘國家事’，‘國家隊’要擔(dān)起‘國家責(zé)’。”

　　“張老師要求我們以國家標準時間產(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家授時系統(tǒng)為目標，支撐我國經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展。”張首剛團隊成員、國家授時中心科研人員孫富宇說。

　　經(jīng)過近20年的埋頭苦干，張首剛建立起的國家授時中心量子頻標研究室已擁有近百名中青年科研人員，并發(fā)展成為中科院重點實驗室。除了世界首款光抽運小銫鐘產(chǎn)品，他還帶領(lǐng)團隊自主研制了國際先進的基準型銫原子噴泉鐘以及7種不同應(yīng)用類型的新型原子鐘。

　　以團隊研制的2臺具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的冷原子銫噴泉鐘為例，其在國際上第二個實現(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到世界先進水平，實現(xiàn)了“北京時間”自主校準，確保特殊時期國家標準時間的準確性，真正“守住了國家時間”。

　　近20年，張首剛團隊始終面向國家重大需求和經(jīng)濟主戰(zhàn)場，致力于時頻領(lǐng)域科技攻關(guān)和創(chuàng)新——

　　提出并建成了多技術(shù)融合的世界時自主測量與服務(wù)系統(tǒng)，保障了“嫦娥五號”“天問一號”等任務(wù)執(zhí)行，使我國擺脫了長期對國外世界時數(shù)據(jù)的依賴;

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

　　建議的“空間站高精度時頻科學(xué)實驗系統(tǒng)”、“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高精度地基授時系統(tǒng)”項目獲批并主持實施;

　　建成國際首個10皮秒(即一萬億分之一秒)級精度的千公里實地光纖時間傳遞系統(tǒng)，奠定了我國天地授時技術(shù)融合基礎(chǔ)。

　　■ 為國家高質(zhì)量發(fā)展貢獻“時間”力量

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

　　前不久，張首剛領(lǐng)銜研制的中國空間站夢天實驗艙“高精度時頻科學(xué)實驗系統(tǒng)”已運抵海南文昌航天發(fā)射場，這將成為空間運行的最高精度時頻信號產(chǎn)生和傳遞系統(tǒng)。

　　構(gòu)建空間站高精度時頻科學(xué)實驗系統(tǒng)，是張首剛團隊打造的又一面“中國大鐘”。“空間高精度時間頻率對科學(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，實現(xiàn)高精度時間頻率空間產(chǎn)生和空地傳遞系統(tǒng)，為相關(guān)精密測量物理提供研究平臺，為相關(guān)工程技術(shù)應(yīng)用提供高精度時頻信號。”張首剛說。

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

　　“這是空間站箱內(nèi)最復(fù)雜、難度最大、國際影響也很大的系統(tǒng)，空間站時頻系統(tǒng)將融合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、地基授時系統(tǒng)，預(yù)計在5年內(nèi)，我們將建成世界上獨一無二的天地融合、立體交叉的國家授時系統(tǒng)。”張首剛說。

　　據(jù)介紹，上述立體交叉授時系統(tǒng)建成后，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能包括自主運行能力將會進一步提升，應(yīng)用地面授時系統(tǒng)可實現(xiàn)高精度導(dǎo)航定位。同時，長距離、跨區(qū)域重大設(shè)施之間的時間同步精度也可以提高四個到五個數(shù)量級，對科學(xué)研究和國家安全意義重大。對大眾來說，這同樣是利好消息，我們的生活會更加便利，包括數(shù)字通信將會更快捷、無人駕駛將會更安全等。

　　“授時系統(tǒng)是支撐經(jīng)濟社會運行和國家安全的重大基礎(chǔ)設(shè)施，服務(wù)能力體現(xiàn)著一個國家綜合科技實力。我們將弘揚‘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)，更好支撐國家利益的空間拓展和國家高質(zhì)量發(fā)展。”張首剛說，“國家利益拓展到哪里，我們的授時服務(wù)就延伸到哪里。國家利益到了深海，我們的授時服務(wù)就到深海;國家利益到了火星，我們的授時服務(wù)就到火星!”　(記者 霍強文/圖)