基于FPGA的原子喷泉AOM驱动电路的设计与仿真

　　原子喷泉的发展得益于激光冷却原子技术。 20世纪70年代中期， 国际上就提出了激光冷却原子的设想。 到了1989年，Stanford的S.Chu小组首先在实验中实现了Na的原子喷泉。 由于冷原子喷泉预期的准确度要好于1×10-16，使得大量的科研人员将目光投向原子喷泉，将这种全新的方式融入不同的研究领域(如重力测量、时间频率等)。原子喷泉具体过程：首先通过磁光阱对原子进行囚禁，之后关闭反亥姆霍兹梯度磁场，冷原子云团会有少许膨胀。 紧接着减小三束向下冷却激光的频率，使向上的激光频率相对更接近原子的谐振频率， 向下的激光频率相对远离原子的谐振频率， 在上下六束激光的共同作用下， 冷原子云团在很短的时间内获得相当大的上抛初速度。 此时，冷原子云团内原子的热运动有所增加。 继而控制六束激光频率快速失谐,且功率减小，在偏振梯度冷却机制下将原子进一步冷却到所要求的超低温。 获得初速度的冷原子云团上抛，在重力场的作用下自由回落形成原子喷泉。

　　原子喷泉过程中， 不同的阶段六束冷却激光频率和幅度是不同的，而且参数切换的时间间隔是在ms量级。这种激光参数变化通常是由声光调制器(AOM)驱动源控制AOM实现的。

　　一、AOM驱动电路

　　早期， 我院研制的铯原子钟实现原子喷泉时设计的AOM驱动电路如图1所示。 其使用压控振荡器(VCO)来做整个电路的信号源， 通过单片机控制VCO的输出频率以及最终信号的功率。 最终频率信号的准确度和稳定性主要取决于信号源部分的性能，为了得到更好的实验结果，需要高性能的VCO作为信号源。 后来使用高性能的频率综合器代替VCO， 准确度和稳定度都有了很大程度的提高，但是整个电路的费用很高。

　　整个AOM驱动电路的核心即为信号源部分， 因为在很大程度上它的性能决定了最终频率信号的质量， 制作高性能的频率源成为整个电路的重点。

　　现今，某些AOM驱动源采用直接数字式频率合成技术(DDS)来实现。各大芯片制造商都相继推出采用先进CMOS工艺生产的高性能和多功能DDS芯片， 包括美国的AnalogDevices、National Semiconductor、Motorola、Peregrine，德国的英飞凌科技，加拿大的Zarlink，荷兰的Philips，日本的三菱、富士通等，为电路设计者提供了多种选择。 有些实验室已应用DDS芯片得到了所需要的频率信号。在某些场合，现有的DDS芯片与系统的要求差别较大， 这时使用新一代高性能的FPGA器件来实现DDS电路就是一个很好的解决办法。

　　二、FPGA实现AOM驱动电路

　　1.整体框图

　　采用DDS， 利用FPGA芯片实现上述AOM驱动电路，分别控制上下激光的AOM，具体电路如图2所示。由FPGA芯片实现两路DDS的数字部分，其各自的输出信号(数字化正弦幅度值)再分别接入到DDS的模拟部分(数模转换器和低通滤波器)，得到正弦输出信号。之后再经过功率放大电路部分(前置放大、衰减器、功率放大器) 产生各自最终的输出信号 (AOM驱动信号)。 同时，FPGA的软核CPU———NIOS Ⅱ通过Avalon总线对DDS和衰减器DAC进行控制。 FPGA芯片同时实现了DDS数字逻辑和整个电路的控制部分，增加了整个电路的集成度。