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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。