冷原子实验的精密捷变射频源研究

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。

目录

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摘要

图表目录

第1章 冷原子实验在量子信息中的应用情况

1．1 冷原子实验的发展历史

1．1．1 激光及声光调制器

1．1．2 冷原子及玻色-爱因斯坦凝聚

1．1．3 涡旋及冷原子光晶格

1．1．4 冷原子量子态

1．2 冷原子在量子信息实验中的应用

1．3 冷原子实验的特点以及对射频源的总体需求和现状

1．3．1 冷原子实验特点及对射频源的总体需求

1．3．2 冷原子实验中射频源的现状

1．4 本文的研究内容和总体目标

第2章 需求分析和总体设计

2．1 需求分析

2．2 直接数字合成技术的原理及其应用到冷原子实验上的优势

2．2．1 DDS技术原理

2．2．2 DDS技术的优势

2．3 总体设计

2．3．1 技术路线

2．3．2 关键技术

2．4 技术优势

第3章 DDS-400MHz精密捷变射频源的实现

3．1．2 数字模拟转换器(DAC)

3．1．3 放大器

3．1．4 模拟数字转换器(ADC)

3．2．1 DDSPA-B415b驱动第一版V1．1

3．2．2 DDSPA-B415b驱动第二版V1．2

3．3 DDS-400MHz精密捷变射频源的设计目标

3．4 DDS-400MHz精密捷变射频源的设计调试及测试

3．4．1 DDS-400MHz精密捷变射频源第一版V1．1

3．4．2 DDS-400MHz精密捷变射频源第二版V1．2

3．4．3 DDS-400MHz精密捷变射频源第三版V1．3

3．4．4 DDS-400MHz精密捷变射频源第四版V1．4

3．4．5 DDS-400MHz精密捷变射频源第五版V1．5

第4章 DDS-6．8 GHz精密捷变射频源的实现

4．2 DDS-6．8 GHz镜像信号源

4．2．1 DDS-6．8 GHz镜像信号源硬件设计

4．2．2 DDS-6．8 GHz镜像信号源逻辑架构

4．2．3 DDS-6．8 GHz镜像信号源上位机控制系统

4．2．4 DDS-6．8 GHz镜像信号源测试结果

4．3 DDS-1．4 GHz精密捷变射频源

4．3．1 DDS-1．4 GHz精密捷变射频源第一版V1．1

4．3．2 DDS-1．4 GHz精密捷变射频源第二版V1．2

4．4 DDS-6．8 GHz精密捷变射频源

4．4．1 DDS-6．8 GHz精密捷变射频源第一版V1．1

4．4．2 DDS-6．8 GHz精密捷变射频源第二版v1．2

第5章 精密捷变射频源在冷原子实验上的应用情况

5．1．1 BEC制备实验

5．1．2 玻色-费米混合超流量子模拟实验

5．1．3 冷原子量子存储实验环形腔测试

5．1．4 光晶格中原子的寻址与操纵实验

5．2 DDS-6．8 GHz精密捷变射频源在光晶格原子自旋纠缠实验中的应用

5．2．1 光晶格原子自旋纠缠实验平台及过程

5．3 实验结果分析

第6章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文