使用LabVIEW 與 NI FlexRIO實現(xiàn)單原子反饋控制
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"使用NI FlexRIO，我們定制了自己的高性能硬件設備?；?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/LabVIEW">LabVIEW FPGA，我們能夠快速開發(fā)FPGA代碼，因為它具有很高程度的概括性，同時適當?shù)丶闪薞HDL IP"
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/121896.htm– Christian Sames, Max-Planck Institute of Quantum Optics
The Challenge:
開發(fā)一種定制的時域數(shù)字轉(zhuǎn)換器來研究光與物質(zhì)相互作用的基本量子性質(zhì)。
The Solution:
使用NI公司的 FlexRIO 與 LabVIEW FPGA模塊來創(chuàng)建強大的，多功能的定制儀器，從而使我們可以用硬件實現(xiàn)時間嚴格任務的實時處理。這樣可以實現(xiàn)對極小系統(tǒng)的反饋控制，甚至于單個原子與單個光子的相互作用。
Author(s):
Christian Sames - Max-Planck Institute of Quantum Optics
Markus Koch - Max-Planck Institute of Quantum Optics
Haytham Chibani - Max-Planck Institute of Quantum Optics
Maximilian Balbach - Max-Planck Institute of Quantum Optics
Tatjana Wilk - Max-Planck Institute of Quantum Optics
Gerhard Rempe - Max-Planck Institute of Quantum Optics圖1. 用于研究光與物質(zhì)基本相互作用的激光系統(tǒng)的一部分。系統(tǒng)包括多種透
反饋是控制動態(tài)系統(tǒng)最強有力的技術(shù)之一。我們實驗室研究的系統(tǒng)含有一個單獨的，與單個光子相互作用的中性孤立原子——量子化電磁場的本征激發(fā)——被高反射性的腔式鏡面所環(huán)繞(如圖 1和 2)。使用這套系統(tǒng)，我們可以研究光與物質(zhì)相互作用的基本量子性質(zhì)，要實現(xiàn)這一點必須將原子限制在腔鏡的中央。然而，固有的加熱過程更傾向于將原子推向其它位置。我們的目標是通過快速的電子反饋技術(shù)來抑制這種運動，使用回復力抵消這種逃逸運動。其基本原理如圖3所示。運動的不可預測性使得針對它的反應必須快速，但是系統(tǒng)的量子特性限制了信息量的提取。因此，我們必須在100ns內(nèi)，快速執(zhí)行基于單個光子探測決策過程。我們展示的反饋方案[1,2]在這方面做得非常好。
圖1. 用于研究光與物質(zhì)基本相互作用的激光系統(tǒng)的一部分。系統(tǒng)包括多種透鏡，鏡面，以及光學模塊。
圖2. 用于單個原子和光子實驗的光學諧振腔（紅色）
圖3. a）一個光子探測器監(jiān)測原子的位置。 NI FlexRIO FPGA處理信號并且控制光纖勢能。 b）當原子向中心移動，勢能降低，反之亦然，從而引起原子失去動能。
解決這一棘手任務的關鍵電子元件是NI PXI-7954R NI FlexRIO FPGA模塊，結(jié)合NI 6581高速數(shù)字輸入輸出適配器模塊。使用適配器模塊的主要意圖是通過緩沖暴露的FPGA引腳的數(shù)字輸入與輸出，防止損壞。NI FlexRIO模塊被安裝在NI PXIe-1075機箱上，它具有NI PXIe-8130集成主機控制器。FPGAs是特殊的可重配置的集成電路，因此它們可以達到由硬件實現(xiàn)的高性能， 同時在整個設計過程中可以實現(xiàn)很高程度的通用性。 這一點，連同它們固有的并行性，可以提供快速與確定性的執(zhí)行過程，從而使它們在科學研究與工業(yè)生產(chǎn)中成為廣泛而有力的工具。NI FlexRIO模塊具有兩個主要優(yōu)勢。首先，它允許通過LabVIEW FPGA 模塊快捷地為FPGA編程， 我們可以使用這種圖形化的設計語言來設計高層的FPGA電路，同時如果有必要，它也集成了常用的，底層的VHDL代碼。其次，F(xiàn)lexRIO模塊直接將FPGA引腳展現(xiàn)給用戶，能夠?qū)崿F(xiàn)高度定制的I/O。因此，它允許定制的，高性能硬件的創(chuàng)建。在我們的應用中，我們開發(fā)了一套定制的時域數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它能夠以一個納秒的分辨率對多個數(shù)字通路進行采樣，處理實時數(shù)據(jù)，運用反饋算法，并向用戶輸出重要的信息。
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