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(tuán)隊成員交流。

國家授時中心部分授權(quán)專利。

張首剛團(tuán)隊研發(fā)的世界首款新型守時原子鐘產(chǎn)品——光抽運(yùn)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?！　?/p>

　　中國科學(xué)院國家授時中心主任、首席科學(xué)家張首剛團(tuán)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(yù)?！　?/p>

　　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(yùn)小銫鐘打破了小銫鐘產(chǎn)品的國外壟斷，應(yīng)用于國家標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)時間自主可控?！　?/p>

　　除此之外，張首剛和他的團(tuán)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(biāo)準(zhǔn)時間與國際標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)，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(biāo)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(yùn)行、經(jīng)濟(jì)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?！睆埵讋傉f?！　?/p>

　　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(biāo)準(zhǔn)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(jì)社會運(yùn)行，更是國家話語權(quán)的體現(xiàn)?！　?/p>

　　1956年，第一個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(biāo)準(zhǔn)，又稱磁選態(tài)小銫鐘。然而，半個多世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn)時間的守時應(yīng)用主流產(chǎn)品，但美國政府實行嚴(yán)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(rèn)識到問題的嚴(yán)重性。如何在時間領(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)隊開始研發(fā)新型光抽運(yùn)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(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(yùn)小銫鐘攻關(guān)研制的核心內(nèi)容?！　?/p>

　　“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(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)隊成員、國家授時中心科研人員李孝峰說?！　?/p>

　　2009年起，張首剛團(tuán)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?！崩钚⒎逭f?！　?/p>

　　功夫不負(fù)有心人。張首剛團(tuán)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(jìn)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?！　?/p>

　　“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(yùn)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(yùn)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?！崩钚⒎逭f?！　?/p>

　　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(yùn)小銫鐘產(chǎn)品；2018年開始，光抽運(yùn)小銫鐘產(chǎn)品逐步替代美國禁運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)時間的產(chǎn)生，產(chǎn)品出口歐洲……　　

　　確?！氨本r間”自主可控　　

　　我國國家標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(tuán)隊近20年一直奮斗在科技創(chuàng)新一線?！　?/p>

　　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(biāo)準(zhǔn)時間研究?！　?/p>

　　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(biāo)研究團(tuán)隊，開始研制國家的時間基準(zhǔn)鐘——冷原子銫噴泉鐘?！　?/p>

　　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(jì)社會發(fā)展。張首剛勉勵團(tuán)隊成員：“‘國家人’要做好‘國家事’，‘國家隊’要擔(dān)起‘國家責(zé)’?！薄　?/p>

　　“張老師要求我們以國家標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)，支撐我國經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展?！睆埵讋倛F(tuán)隊成員、國家授時中心科研人員孫富宇說?！　?/p>

　　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(biāo)研究室已擁有近百名中青年科研人員，并發(fā)展成為中科院重點實驗室。除了世界首款光抽運(yùn)小銫鐘產(chǎn)品，他還帶領(lǐng)團(tuán)隊自主研制了國際先進(jìn)的基準(zhǔn)型銫原子噴泉鐘以及7種不同應(yīng)用類型的新型原子鐘?！　?/p>

　　以團(tuán)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(dá)到世界先進(jìn)水平，實現(xiàn)了“北京時間”自主校準(zhǔn)，確保特殊時期國家標(biāo)準(zhǔn)時間的準(zhǔn)確性，真正“守住了國家時間”?！　?/p>

　　近20年，張首剛團(tuán)隊始終面向國家重大需求和經(jīng)濟(jì)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)?！　?/p>

　　為國家高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)“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(qiáng)了人才隊伍建設(shè)，組織了成建制的科研團(tuán)隊，圍繞‘卡脖子’問題進(jìn)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(yùn)抵海南文昌航天發(fā)射場，這將成為空間運(yùn)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(tuán)隊打造的又一面“中國大鐘”?！翱臻g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?！　?/p>

　　經(jīng)過10余年的努力，在張首剛帶領(lǐng)下，團(tuán)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(dá)20多立方米的龐大實驗室光鐘系統(tǒng)“裝進(jìn)”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?！　?/p>

　　“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)?！睆埵讋傉f?！　?/p>

　　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(yùn)行能力將會進(jìn)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?！　?/p>

　　“授時系統(tǒng)是支撐經(jīng)濟(jì)社會運(yùn)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(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！”（霍強(qiáng) 文/圖）