光晶格原子钟是支撑高精度守时、大地测绘、基础物理检验、卫星导航授时的核心量子装备。基于锶（Sr）、镱（Yb）两种原子构建的双模光晶格原子钟，能够自动抵消黑体辐射频移、直流斯塔克频移等系统误差，消除探测死时间，是下一代超高精度原子钟的主流发展方向。

传统双模光钟系统需要十余台不同规格独立激光器协同工作，其中光晶格囚禁所需759nm、813nm瓦级高功率激光，原子冷却使用的798nm、光存在显著技术痛点：商用半导体激光器输出功率不足、相位噪声大；分立钛宝石激光设备光路繁杂、体积庞大、造价高昂，多光源组合模式极大地提升了设备调试、运维难度，严重限制光钟小型化、工程化应用。针对行业现存短板，团队聚焦一体化共腔钛宝石激光架构开展原创技术攻关。

近日，由中国科学院国家授时中心量子频标研究室常宏研究员团队牵头，联合合肥国家实验室共同提出的双模光晶格原子钟用双频激光技术，首创单泵浦双谐振腔四波长集成架构，依托一套532nm泵浦光源驱动两套独立谐振腔，单腔可稳定输出两路无跳模单频激光，核心创新分为三大模块：

    1. 45°双折射晶体共腔分束，消除模式竞争

    腔内搭载45°光轴切割钒酸钇（YVO₄）晶体，将一束泵浦光分离为偏振正交、传播路径空间隔离的寻常光（O）与非寻常光（E光），两路光束在钛宝石增益介质上实现增益分区，从底层解决钛宝石宽增益带宽带来的跳模难题，稳定实现双波长同步振荡。

图 1 膜系光谱匹配原理图

    2. 双层复合波长筛选方案，精准锁定目标波段

    创新采用“膜系光谱边沿重叠粗选+双折射滤波片-标准具精选”复合滤波机制：双折射滤波增透膜与凹面反射镜高反膜光谱带边缘交叠，形成窄带低损耗透射窗口完成波段粗筛选；搭配FP标准具压制杂模。第一谐振腔稳定输出759nm、813nm晶格光，第二谐振腔输出798nm、922nm冷却光，四路激光均可满足实验所需高功率指标。

图 2 激光器整体光路框图

    3. 电光晶体+压电陶瓷协同同步锁频

腔内电光晶体可单独对O光、E光施加平行电场，实现单偏振光束频率独立调节；腔镜配套PZT压电陶瓷同步微调谐振腔腔长，完成两路激光同步稳频，大幅提升光源长期频率稳定度，适配光晶格囚禁、冷原子冷却严苛工况。

同时光路分光单元采用楔形棱镜+双聚焦透镜一体化结构，仅一套成像系统即可生成两束匹配腔内振荡的泵浦光，通过调整棱镜插入深度灵活改变两路激光输出功率配比，适配多样化原子实验需求。

“一泵双腔”架构可替代4独立钛宝石激光器，光路复杂度降低60%以上，大幅缩减整套光钟设备体积、重量，有效减少硬件采购、光路调试与后期维护成本。

共腔增益结构实现瓦级高功率激光输出，双维度同步锁频方案抑制长期频率漂移，可支撑光钟不间断长期运行。

该成套技术可直接适配多类时频与量子精密测量设备：地面固定式超高精度守时光晶格原子钟、可搬运型工程化双模光钟、星载小型光钟预研平台；同时可拓展应用于冷原子干涉仪、量子传感、精密分子光谱等前沿物理实验系统。

    本项成果获得美国发明专利授权（专利号 US 12,468,266 B1）。