冷原子实验的精密捷变射频源研究

发布时间：2020-04-08 23:55

【摘要】：冷原子气体速度小,近似"静止",相干性好,在真空中相对固定,在光场,磁场,微波场中都很便于被操纵,所以冷原子为各种量子物理实验提供了很好的研究平台。用激光或微波操纵冷原子时,需要灵活地改变激光或微波的幅度,频率和方向等,所以高精度,高分辨率的激光和微波在冷原子实验中尤为重要。用激光操纵冷原子时,激光的参数(例如频率和强度)需要被稳定,扫描或切换。通常的做法是对射频信号执行类似的操作,然后通过声光调制器(AOM)将这些操作转移到激光。用微波操纵冷原子也是一样,通常先得到射频信号,再用天线辐射产生同频率的微波。所以,很多时候对激光或微波的操纵可以转化为对射频信号的调节,于是精确稳定并且易于操纵的射频信号成了各种冷原子实验的共同需求。传统的射频信号源有压控振荡器(VCO)和标准商用射频仪器等。VCO的频率精度和稳定度不够,而一般标准商用射频仪器的扫频速度和扫频方式都有限。比如在光晶格中原子的寻址与操纵实验中,射频源需要完成复杂的操作,而且扫频速度需要达到微秒,扫频精度需要达到Hz量级,传统的VCO或标准商用射频仪器都达不到实验要求。所以需要研制冷原子实验专用的精密捷变射频源。为了满足各种冷原子实验的具体需求,采用直接数字合成(DDS)原理设计了两种精密捷变射频源:DDS-400MHz精密捷变射频源和DDS-6.8GHz精密捷变射频源。其中,DDS-6.8GHz射频源可以两用,可以用作低频至1.4GHz的射频源或6.8GHz±300MHz的射频源。DDS-400MHz射频源一般用于操纵Li,K等小原子,是用途最广,使用最多的精密捷变射频源,其成本低,功耗低。DDS-1.4GHz的射频源则可以针对其他不同原子使用。DDS-1.4GHz的射频源结合上变频技术,就可以把射频扩展到微波波段的频率,也就是可以达到6.8GHz±300MHz的高频范围。这个高频范围对应的微波可以用于耦合Rb原子等。本文综合了各种冷原子实验对激光和微波要求的异同,研究设计了多功能精密捷变的可自定义扫频的DDS射频源,用于各种冷原子实验中取得了很好的实验效果,帮助冷原子实验做出了很多前沿的科研成果。本文的创新之处如下:(1)针对冷原子实验对信号源高频率稳定性、高分辨率和快速跳频需求的特点,采用FPGA+DDS架构,设计了 400MHz和1.4GHz的两种频率范围的精密捷变射频源,频率跳变时间缩小到80ns,解决了冷原子实验中激光场和微波场的精细和复杂控制的难题。(2)采用DDS+上变频技术,实现了6.8GHz频段的捷变微波源,频率范围为6.8GHz±300MHz,覆盖光晶格原子自旋纠缠实验的应用。(3)针对DDS缺乏强大幅度控制能力的特点,设计了高调制带宽的可变增益幅度控制电路,并可以和频率控制一起进行复杂的协同扫描,动态范围达到70dB,关断比达到-80dBc。
【图文】：

显函数,张应力,周期性变化,折射率

关、并且是张应力的显函数。这就是弹光效应口２］。逡逑众所周知，超声波是一种弹性机械波，具体的说是纵向应力波，当它通过介逡逑质时，介质中各点就会出现弹性应变。如图１－１所示，在声波的作用下，介质密度逡逑呈疏密相间的交替变化，即弹光效应，随时间和空间呈周期性变化，表现在介质逡逑折射率上［２３］。当有光通过时，则相位受到调制，此时的介质就像一个光栅间距逡逑等于声波波长的衍射光栅，于是产生衍射，这就是声光效应。逡逑１N１．３声光调试公式逡逑因为光速比声速大很多，，所Ｗ声行波形成的光栅对光波来说可Ｗ看作是＂静逡逑２逡逑

布拉格衍射,声光器件,声光衍射,特性

部分转移到０级或１衍射极值方向上。所Ｗ，布拉格衍射的声光器件有很高的逡逑工作效率。逡逑布拉格衍射模型是为大家所熟悉的，如图１－２所示，容易得出一级衍射光角逡逑度满足：逡逑ｓｉｎ目二邋＾逦（１．１）逡逑这里；Ｉ是入射光波长，Ａｓ是声波波长。ｎ是折射率。还可Ｗ推算－－级衍射光的光逡逑强满足：逦■逡逑／］＿邋ＯＣ邋（ｓｉ0ｙ７Ｊ）逦（１－２）逡逑其中／ｌ是一级衍射光光强，Ｊｓ是入射声波强度。并且当Ｊｓ足够大时，可Ｗ使得逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O431.2

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