使用LabVIEW 與 NI FlexRIO實(shí)現(xiàn)單原子反饋控制

　　"使用NI FlexRIO，我們定制了自己的高性能硬件設(shè)備?；?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/LabVIEW">LabVIEW FPGA，我們能夠快速開發(fā)FPGA代碼，因?yàn)樗哂泻芨叱潭鹊母爬ㄐ裕瑫r(shí)適當(dāng)?shù)丶闪薞HDL IP"

　　– Christian Sames, Max-Planck Institute of Quantum Optics

　　The Challenge:

　　開發(fā)一種定制的時(shí)域數(shù)字轉(zhuǎn)換器來(lái)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(lái)創(chuàng)建強(qiáng)大的，多功能的定制儀器，從而使我們可以用硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)間嚴(yán)格任務(wù)的實(shí)時(shí)處理。這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)極小系統(tǒng)的反饋控制，甚至于單個(gè)原子與單個(gè)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)最強(qiáng)有力的技術(shù)之一。我們實(shí)驗(yàn)室研究的系統(tǒng)含有一個(gè)單獨(dú)的，與單個(gè)光子相互作用的中性孤立原子——量子化電磁場(chǎng)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(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)必須將原子限制在腔鏡的中央。然而，固有的加熱過(guò)程更傾向于將原子推向其它位置。我們的目標(biāo)是通過(guò)快速的電子反饋技術(shù)來(lái)抑制這種運(yùn)動(dòng)，使用回復(fù)力抵消這種逃逸運(yùn)動(dòng)。其基本原理如圖3所示。運(yùn)動(dòng)的不可預(yù)測(cè)性使得針對(duì)它的反應(yīng)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(gè)光子探測(cè)決策過(guò)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(xué)模塊。

　　解決這一棘手任務(wù)的關(guān)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(guò)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(jī)箱上，它具有NI PXIe-8130集成主機(jī)控制器。FPGAs是特殊的可重配置的集成電路，因此它們可以達(dá)到由硬件實(shí)現(xiàn)的高性能， 同時(shí)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)很高程度的通用性。 這一點(diǎn)，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(guò)程，從而使它們?cè)诳茖W(xué)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(gè)主要優(yōu)勢(shì)。首先，它允許通過(guò)LabVIEW FPGA 模塊快捷地為FPGA編程， 我們可以使用這種圖形化的設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)高層的FPGA電路，同時(shí)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(yīng)用中，我們開發(fā)了一套定制的時(shí)域數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它能夠以一個(gè)納秒的分辨率對(duì)多個(gè)數(shù)字通路進(jìn)行采樣，處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，運(yùn)用反饋算法，并向用戶輸出重要的信息。