Positioning of single atoms in a dipole trap

Abstract

Das Ziel dieses Diplomprojekts ist die Positionsbestimmung einzelner Atome in einer Dipolfalle durch die Implementierung eines Echtzeit-Algorithmus.Das Fluoreszenz-Signal der Atome, das von einer Electron Multiplying Charge-Coupled Device (EMCCD) Kamera aufgenommen wird, wird dabei von hoch-performanter Hardware bestehend aus einem Field-Programmable Gate Array (FGPA) und einem Real-Time (RT) System verarbeitet. Der Algorithmus ist für schnelle Datenverarbeitung optimiert, um eine Rückkopplung auf die Positionen der Atome zu ermöglichen, und besteht aus zwei Teilen. In einem ersten Schritt wird eine schnelle aber nur ungenaue Positionsbestimmung mittels einer Methode, die sich der Abschätzung der trigonometrischen Momente bedient, vorgenommen. Diese ungefähre Annäherung wird in einem zweiten Schritt als Startwert für einen präziseren Levenberg-Marquardt-Fit-Algorithmus verwendet. Erste Messungen zeigen sowohl zufriedenstellende Performanz als auch ausreichende Genauigkeit.

The aim of the project described in this thesis is the positioning of single atoms in a dipole trap by the implementation of a real-time algorithm. The fluorescence signal of the atoms which is captured by an Electron Multiplying Charge-Coupled Device (EMCCD) camera, is processed by a combination of high performance hardware, including a field-programmable gate array (FPGA) and a real-time (RT) system. The algorithm is optimized for fast data processing to enable feedback on the positions of the atoms. The implemented positioning algorithm consists of two parts. First, a rough and fast position calculation is performed by a trigonometric moment estimation method. These approximate positions are then used in a second step as initial parameters for a more precise Levenberg-Marquardt fitting algorithm. First measurements show that both performance and accuracy of the positioning program are satisfying.