A home-built lock-in amplifier for laser frequency stabilization

摘要

We describe an inexpensive lock-in amplifier that can be built using discrete off-the-shelf RF components and home-built analog circuits. This lock-in has been used in a feedback loop to lock the frequency of a laser to an atomic transition. The frequency stability was tested by trapping rubidium atoms. The feedback loop involves obtaining a modulated saturated absorption signal from a vapor cell using an acousto-optic modulator to modulate the laser frequency. The absorption signal is sent to the lock-in to generate an error signal, proportional to the first derivative of the absorption, which is fed back to the laser to complete the feedback loop. We also demonstrate a simplified optical setup for viewing the saturated absorption spectrum. In this case, the signal consists of narrow saturated absorption spectra riding on top of a Doppler-broadened pedestal. We show that it is possible to greatly reduce the effect of this background and lock the laser to the atomic resonance by modifying the home-built lock-in to generate an error signal proportional to the third derivative of the absorption. The results of this work can be adapted for advanced undergraduate laboratory work.PACS Nos.: 01.50Pa, 07.50.–e, 42.62Fi, 42.60FcNous décrivons ici un amplificateur synchrone à faible coût que l'on peut construire en utilisant des composantes RF couramment disponibles et des circuits analogues faits maison. Nous avons utilisé cet amplificateur dans une boucle de rétroaction pour fixer la fréquence d'un laser sur celle d'une transition atomique. Nous avons vérifié la stabilité de la fréquence en piégeant des atomes de rubidium. La boucle de rétroaction requiert l'obtention d'un signal d'absorption saturé modulé de la cellule contenant la vapeur en utilisant un modulateur acousto-optique (AOM) pour moduler la fréquence du laser. Le signal d'absorption est envoyé à l'amplificateur synchrone pour générer un signal d'erreur proportionnel à la première dérivée de l'absorption, qui est ensuite envoyé au laser pour compléter la boucle de rétroaction. Nous proposona également un montage optique simplifié pour observer le spectre d'absorption saturé. Dans ce cas, le signal consiste en un étroit spectre d'absorption saturé chevauchant une base élargie Doppler. Nous montrons qu'il est possible de réduire de façon importante ce signal de fond et de synchroniser le laser sur la résonance atomique en modifiant l'amplificateur synchrone maison pour générer un signal d'erreur proportionnel à la troisième dérivée de l'absorption. Les résultats de ce travail peuvent être adaptés à des laboratoires avancés pour étudiants de premier cycle. [Traduit par la Rédaction]