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“北京时间”捧回中国专利金奖的背后

发表日期:2022-09-21来源:陕西日报放大 缩小  

张首刚(右二)在2022世界杯下注平台国家授时中心实验室与科研团队成员交流。

国家授时中心部分授权专利。

张首刚团队研发的世界首款新型守时原子钟产品——光抽运小铯钟。

  日前,国家知识产权局公布了第二十三届中国专利奖授奖决定。我省29项专利获中国专利奖,其中金奖1项、银奖2项、优秀奖26项,获奖项目数量较上届增长93.3%,为历届最多。  

  2022世界杯下注平台国家授时中心主任、首席科学家张首刚团队的发明专利“基于铯原子饱和吸收谱的半导体自动稳频激光器”获得金奖,为陕西捧回了我国知识产权领域的最高荣誉。  

  张首刚介绍,该发明专利可应用于铯原子钟研制和相关精密光谱观测,其直接应用成果——光抽运小铯钟打破了小铯钟产品的国外垄断,应用于国家标准时间产生系统、北斗卫星导航系统和北极科考任务,并在5G、电力等领域广泛应用,满足了国家重大需求,保障了我国标准时间自主可控。  

  除此之外,张首刚和他的团队数十年如一日,在时间频率领域开拓创新,突破多项关键技术,自主研发系列核心设备,将我国标准时间与国际标准时间的偏差从30纳秒减小至3纳秒,综合性能跃居世界前三,为我国时间频率研究水平和服务能力整体跻身国际前列作出重大贡献,擦亮了“北京时间,源自陕西”的科技名片……  

  十年磨一剑 打破国外垄断  

  什么是时间?是海枯石烂、地老天荒的浪漫?还是光阴似箭、只争朝夕的豪情?  

  “在自然科学中,时间是标注事件发生瞬间和持续历程的一个基本物理量,是目前测量精度最高的物理量,也是应用最广的物理量,其服务和应用支撑着社会运行、经济建设和国家安全,特别是在数字通信、卫星导航、航天航空等领域发挥着基础性作用。”张首刚说。  

  有关原子钟或原子频率标准的发展,经历了漫长的历史过程。电磁理论的集大成者——著名物理学家麦克斯韦1873年就有论断“通过周期性振动……可以找到一种更普适的时间单位”。直到1937年,Rabi和Ramsey等物理学家基于原子束平台取得的一系列革命性科学突破,才真正使原子钟的发明成为可能。作为能够产生标准时间频率信号并有时间计数功能的原子钟,如今已经成为时间精密测量的关键核心设备,它不仅是国家战略资源,事关国家安全和经济社会运行,更是国家话语权的体现。  

  1956年,第一个商品铯束原子钟诞生,关于其性能改进的研究迅速吸引了国际学术界广泛关注。此时,原子钟的代表产品是美国HP(惠普)公司开发的小型铯束原子频率标准,又称磁选态小铯钟。然而,半个多世纪以来,美国独家垄断的原子钟——磁选态小铯钟一直是世界各国产生标准时间的守时应用主流产品,但美国政府实行严格出口管控,限定应用范围。张首刚以一个战略科学家的敏锐眼光认识到问题的严重性。如何在时间领域实现高水平科技自立自强?他下定决心,带领团队开始研发新型光抽运小铯钟。这是一种研发知识产权壁垒尚未形成且理论性能更优的原子钟产品。  

  新型光抽运小铯钟由激光系统、铯束管和电路系统组成,其中激光系统有两大作用:一是铯原子量子态制备——只有显著改变原子基态各子能级粒子数常规分布,才有可能发现原子与微波场的相互作用后原子各子能级粒子数变化;二是探测钟跃迁几率信号——原子各子能级粒子数变化反映着不同子能级间原子的量子跃迁几率,跃迁几率用于实时调整原子钟时间频率信号输出数值,可以通过激光诱导原子产生荧光,再通过荧光探测实现较传统电探测灵敏度更高的跃迁几率探测。因此,激光系统工程化便成为光抽运小铯钟攻关研制的核心内容。  

  “光抽运小铯钟所需的激光频率高达352THz(1THz=1012Hz),且为了与铯原子发生共振,激光频率须十分准确和稳定,这对激光系统工程化提出了巨大挑战。简而言之,研发新型光抽运小铯钟产品的难题就在于能否突破既准又稳的激光产生技术。”张首刚团队成员、国家授时中心科研人员李孝峰说。  

  2009年起,张首刚团队开始了年复一年、日复一日地技术攻关,从装置材料选用、组合角度、光路选择等方面反复搭配、重复试验。“我的几位同事都患有腰椎间盘突出,因为我们在光学平台工作时正好是俯视的角度,经常一干就是几个小时不停歇,晚上还要加班,长年累月下来就有了这个职业病。”李孝峰说。  

  功夫不负有心人。张首刚团队创新利用了铯原子饱和吸收原理,在激光器中设计了移频光路,可直接在激光器上进行光斑调节、移频操作和自动稳频,具有工作稳定、灵敏度高、功能多、使用方便、受外界环境干扰小、可同时输出两束有频差的窄线宽激光等优势。  

  “相比一般半导体激光器,我们将光频锁定、抽运光产生和探测光产生三项功能模块全部集成到一个小型装置中,实现了光抽运小铯钟稳频激光的可靠产生,满足了其对光源鲁棒性、高性能和小体积的多种要求,为光抽运小铯钟产品的诞生奠定了技术基础。我们也申请了相关专利,其中就包括此次获得金奖的发明专利。”李孝峰说。  

  2017年,国家授时中心联合相关企业推出了新型守时原子钟——世界首款光抽运小铯钟产品;2018年开始,光抽运小铯钟产品逐步替代美国禁运小铯钟产品,应用于我国多个重要领域,打破了国外长期垄断;2021年11月,3台国产小铯钟在国际标准时间计算中取得权重,并被国际权度局推荐给各国用于其标准时间的产生,产品出口欧洲……  

  确保“北京时间”自主可控  

  我国国家标准时间是“北京时间”,作为我国唯一的专门、全面从事时间频率基础研究和应用研究的世界杯下注平台,国家授时中心承担着“北京时间”的产生、保持和发播任务。为实现“北京时间”的自主可控,张首刚和他的团队近20年一直奋斗在科技创新一线。  

  2005年,张首刚从法国学成归国后,服从组织安排,只身来到位于陕西临潼的国家授时中心,主持原子钟研发与标准时间研究。  

  他从零开始,从单位一间地下室起步,搭建平台、招募人才,创建量子频标研究团队,开始研制国家的时间基准钟——冷原子铯喷泉钟。  

  高精度时间频率是国家战略资源,事关国家安全和经济社会发展。张首刚勉励团队成员:“‘国家人’要做好‘国家事’,‘国家队’要担起‘国家责’。”  

  “张老师要求我们以国家标准时间产生的自主可控与性能提升为己任,以建设安全可靠的高精度国家授时系统为目标,支撑我国经济社会高质量发展。”张首刚团队成员、国家授时中心科研人员孙富宇说。  

  经过近20年的埋头苦干,张首刚建立起的国家授时中心量子频标研究室已拥有近百名中青年科研人员,并发展成为中科院重点实验室。除了世界首款光抽运小铯钟产品,他还带领团队自主研制了国际先进的基准型铯原子喷泉钟以及7种不同应用类型的新型原子钟。  

  以团队研制的2台具有独立知识产权的冷原子铯喷泉钟为例,其在国际上第二个实现了超高稳定的光生微波源,稳定度和不确定度性能达到世界先进水平,实现了“北京时间”自主校准,确保特殊时期国家标准时间的准确性,真正“守住了国家时间”。  

  近20年,张首刚团队始终面向国家重大需求和经济主战场,致力于时频领域科技攻关和创新——  

  提出并建成了多技术融合的世界时自主测量与服务系统,保障了“嫦娥五号”“天问一号”等任务执行,使我国摆脱了长期对国外世界时数据的依赖;  

  主持研发了性能国际领先、体积最小的芯片原子钟,打破国外垄断,装备于卫星导航设备、通信终端;  

  建议的“空间站高精度时频科学实验系统”、“十三五”国家重大科技基础设施“高精度地基授时系统”项目获批并主持实施;  

  建成国际首个10皮秒(即一万亿分之一秒)级精度的千公里实地光纤时间传递系统,奠定了我国天地授时技术融合基础。  

  为国家高质量发展贡献“时间”力量  

  近年来,国家授时中心为什么会源源不断地产生创新成果?“我觉得一方面在于我们制定了一系列鼓励和支持科技创新的制度和措施,带动科研人员聚焦主责主业,面向世界科技前沿和国家重大需求,甘坐冷板凳,做好科学研究。另一方面,是我们加强了人才队伍建设,组织了成建制的科研团队,围绕‘卡脖子’问题进行集中科技攻关。”国家授时中心科技处处长任晓乾如是说。  

  前不久,张首刚领衔研制的中国空间站梦天实验舱“高精度时频科学实验系统”已运抵海南文昌航天发射场,这将成为空间运行的最高精度时频信号产生和传递系统。  

  构建空间站高精度时频科学实验系统,是张首刚团队打造的又一面“中国大钟”。“空间高精度时间频率对科学研究和工程应用意义重大,可利用空间微重力环境和航天员照料等条件,实现高精度时间频率空间产生和空地传递系统,为相关精密测量物理提供研究平台,为相关工程技术应用提供高精度时频信号。”张首刚说。  

  经过10余年的努力,在张首刚带领下,团队在地面光钟研制基础上,按照航天产品的多项要求突破了系列关键技术,通过系统与工艺再造,将一个复杂又精密、体积达20多立方米的庞大实验室光钟系统“装进”了不到1立方米的空间站实验柜,将成为世界第一台“上天”的光钟。目前,这台光钟正在文昌静待发射时刻。  

  “这是空间站箱内最复杂、难度最大、国际影响也很大的系统,空间站时频系统将融合北斗导航系统、地基授时系统,预计在5年内,我们将建成世界上独一无二的天地融合、立体交叉的国家授时系统。”张首刚说。  

  据介绍,上述立体交叉授时系统建成后,北斗卫星导航系统的性能包括自主运行能力将会进一步提升,应用地面授时系统可实现高精度导航定位。同时,长距离、跨区域重大设施之间的时间同步精度也可以提高四个到五个数量级,对科学研究和国家安全意义重大。对大众来说,这同样是利好消息,我们的生活会更加便利,包括数字通信将会更快捷、无人驾驶将会更安全等。  

  “授时系统是支撑经济社会运行和国家安全的重大基础设施,服务能力体现着一个国家综合科技实力。我们将弘扬‘两弹一星’精神和科学家精神,打造创新文化,投身造钟事业,更好支撑国家利益的空间拓展和国家高质量发展。”张首刚说,“国家利益拓展到哪里,我们的授时服务就延伸到哪里。国家利益到了深海,我们的授时服务就到深海;国家利益到了火星,我们的授时服务就到火星!”(霍强 文/图)

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