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科研机构，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。
