Angesichts der Probleme mit Laserfrequenzdrift, zu breiter Linienbreite und der Schwierigkeit traditioneller Frequenzstabilisierungstechniken, schnelle Einzelpunktmessungen und Hardwarekosten in einem Cavity Ring-Down Spectroscopy (CRDS) System unter einen Hut zu bringen, wurde eine Korrespondenz zwischen Modulationsfrequenz und Phasenauswahl in der Frequenzmodulationsspektroskopie etabliert und auf die Laserfrequenzstabilisierung und das CRDS-System angewendet, um eine schnelle Einzelpunktmessung von Acetylen-Gas zu realisieren. Theoretisch zeigt das System die Evolutionsregel der Absorptions- und Dispersionsphasensignale mit Modulationsfrequenz in der Frequenzmodulationsspektroskopie auf und erläutert die physikalischen Eigenschaften einer bevorzugten Auswahl unterschiedlicher Demodulationsphasen mit einem kritischen Punkt bei 300 MHz, wobei unterhalb von 300 MHz das Absorptionssignal dominiert, während im Hochfrequenzbereich das Dispersionssignal überlegen ist. Ein FPGA-basierendes Laserfrequenzstabilisierungssystem wurde experimentell aufgebaut und die Entwicklung der Spitzensignalwerte des Fehlersignals bestätigte die hohe Übereinstimmung mit der Theorie. Durch Optimierung von Druck und Konzentration und Einsatz eines PID-Reglers wurde die Laserfrequenz präzise auf die Acetylen-Absorptionslinie gesperrt, wodurch Frequenzstabilität und Linienverengung erreicht wurden. Die Anwendung des stabilisierten Lasers in CRDS-Messungen zeigte, dass die Nachweisgrenzen des Systems bei Modulationsfrequenzen von 9 MHz (Absorptionsphase) und 350 MHz (Dispersionsphase) entsprechend der Allan-Varianz-Analyse 6,23×10^-10 /cm bzw. 2,51×10^-10 /cm erreichten, was eine Verbesserung um etwa eine Größenordnung gegenüber dem nicht stabilisierten System (1,55×10^-9 /cm) darstellt. Die entsprechenden minimalen Nachweiskonzentrationen betrugen 5,09×10^-12 mol/mol bzw. 1,26×10^-11 mol/mol, was ebenfalls eine etwa eine Größenordnung bessere Leistung gegenüber dem nicht stabilisierten System (1,55×10^-11 mol/mol) darstellt. Obwohl die Hochfrequenz-Dispersionsphase eine überlegene Leistung aufweist, ist die Verbesserung im Vergleich zur Niedrigfrequenz-Absorptionsphase begrenzt; daher kann in der praktischen Anwendung die Modulationsfrequenz und Hardwarekosten abgewogen werden, um ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten zu erreichen, was eine wichtige Referenz für die hochpräzise und kostengünstige Gasüberwachung in den Bereichen Umweltmonitoring und industrielle Sensorik bietet.

Laserspektroskopie;Cavity Ring-Down Spektroskopie;Frequenzmodulationsspektroskopie;Laserfrequenzstabilisierung;Spurengaserkennung