【摘要】：冷原子氣體速度小,近似"靜止",相干性好,在真空中相對固定,在光場,磁場,微波場中都很便于被操縱,所以冷原子為各種量子物理實(shí)驗(yàn)提供了很好的研究平臺。用激光或微波操縱冷原子時(shí),需要靈活地改變激光或微波的幅度,頻率和方向等,所以高精度,高分辨率的激光和微波在冷原子實(shí)驗(yàn)中尤為重要。用激光操縱冷原子時(shí),激光的參數(shù)(例如頻率和強(qiáng)度)需要被穩(wěn)定,掃描或切換。通常的做法是對射頻信號執(zhí)行類似的操作,然后通過聲光調(diào)制器(AOM)將這些操作轉(zhuǎn)移到激光。用微波操縱冷原子也是一樣,通常先得到射頻信號,再用天線輻射產(chǎn)生同頻率的微波。所以,很多時(shí)候?qū)す饣蛭⒉ǖ牟倏v可以轉(zhuǎn)化為對射頻信號的調(diào)節(jié),于是精確穩(wěn)定并且易于操縱的射頻信號成了各種冷原子實(shí)驗(yàn)的共同需求。傳統(tǒng)的射頻信號源有壓控振蕩器(VCO)和標(biāo)準(zhǔn)商用射頻儀器等。VCO的頻率精度和穩(wěn)定度不夠,而一般標(biāo)準(zhǔn)商用射頻儀器的掃頻速度和掃頻方式都有限。比如在光晶格中原子的尋址與操縱實(shí)驗(yàn)中,射頻源需要完成復(fù)雜的操作,而且掃頻速度需要達(dá)到微秒,掃頻精度需要達(dá)到Hz量級,傳統(tǒng)的VCO或標(biāo)準(zhǔn)商用射頻儀器都達(dá)不到實(shí)驗(yàn)要求。所以需要研制冷原子實(shí)驗(yàn)專用的精密捷變射頻源。為了滿足各種冷原子實(shí)驗(yàn)的具體需求,采用直接數(shù)字合成(DDS)原理設(shè)計(jì)了兩種精密捷變射頻源:DDS-400MHz精密捷變射頻源和DDS-6.8GHz精密捷變射頻源。其中,DDS-6.8GHz射頻源可以兩用,可以用作低頻至1.4GHz的射頻源或6.8GHz±300MHz的射頻源。DDS-400MHz射頻源一般用于操縱Li,K等小原子,是用途最廣,使用最多的精密捷變射頻源,其成本低,功耗低。DDS-1.4GHz的射頻源則可以針對其他不同原子使用。DDS-1.4GHz的射頻源結(jié)合上變頻技術(shù),就可以把射頻擴(kuò)展到微波波段的頻率,也就是可以達(dá)到6.8GHz±300MHz的高頻范圍。這個(gè)高頻范圍對應(yīng)的微波可以用于耦合Rb原子等。本文綜合了各種冷原子實(shí)驗(yàn)對激光和微波要求的異同,研究設(shè)計(jì)了多功能精密捷變的可自定義掃頻的DDS射頻源,用于各種冷原子實(shí)驗(yàn)中取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果,幫助冷原子實(shí)驗(yàn)做出了很多前沿的科研成果。本文的創(chuàng)新之處如下:(1)針對冷原子實(shí)驗(yàn)對信號源高頻率穩(wěn)定性、高分辨率和快速跳頻需求的特點(diǎn),采用FPGA+DDS架構(gòu),設(shè)計(jì)了 400MHz和1.4GHz的兩種頻率范圍的精密捷變射頻源,頻率跳變時(shí)間縮小到80ns,解決了冷原子實(shí)驗(yàn)中激光場和微波場的精細(xì)和復(fù)雜控制的難題。(2)采用DDS+上變頻技術(shù),實(shí)現(xiàn)了6.8GHz頻段的捷變微波源,頻率范圍為6.8GHz±300MHz,覆蓋光晶格原子自旋糾纏實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用。(3)針對DDS缺乏強(qiáng)大幅度控制能力的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了高調(diào)制帶寬的可變增益幅度控制電路,并可以和頻率控制一起進(jìn)行復(fù)雜的協(xié)同掃描,動態(tài)范圍達(dá)到70dB,關(guān)斷比達(dá)到-80dBc。
【圖文】：

關(guān)、并且是張應(yīng)力的顯函數(shù)。這就是彈光效應(yīng)口２］。逡逑眾所周知，超聲波是一種彈性機(jī)械波，具體的說是縱向應(yīng)力波，當(dāng)它通過介逡逑質(zhì)時(shí)，介質(zhì)中各點(diǎn)就會出現(xiàn)彈性應(yīng)變。如圖１－１所示，在聲波的作用下，介質(zhì)密度逡逑呈疏密相間的交替變化，即彈光效應(yīng)，隨時(shí)間和空間呈周期性變化，表現(xiàn)在介質(zhì)逡逑折射率上［２３］。當(dāng)有光通過時(shí)，則相位受到調(diào)制，此時(shí)的介質(zhì)就像一個(gè)光柵間距逡逑等于聲波波長的衍射光柵，于是產(chǎn)生衍射，這就是聲光效應(yīng)。逡逑１N１．３聲光調(diào)試公式逡逑因?yàn)楣馑俦嚷曀俅蠛芏�，，所Ｗ聲行波形成的光柵對光波來說可Ｗ看作是＂靜逡逑２逡逑

部分轉(zhuǎn)移到０級或１衍射極值方向上。所Ｗ，布拉格衍射的聲光器件有很高的逡逑工作效率。逡逑布拉格衍射模型是為大家所熟悉的，如圖１－２所示，容易得出一級衍射光角逡逑度滿足：逡逑ｓｉｎ目二邋＾邐（１．１）逡逑這里；Ｉ是入射光波長，Ａｓ是聲波波長。ｎ是折射率。還可Ｗ推算－－級衍射光的光逡逑強(qiáng)滿足：邐■逡逑／］＿邋ＯＣ邋（ｓｉ0ｙ７Ｊ）邐（１－２）逡逑其中／ｌ是一級衍射光光強(qiáng)，Ｊｓ是入射聲波強(qiáng)度。并且當(dāng)Ｊｓ足夠大時(shí)，可Ｗ使得逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O431.2

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本文編號：2619995