空洞減衰分光法（Cavity Ring-Down Spectroscopy、CRDS）システムにおけるレーザーの周波数ドリフト、線幅の過度な広がり、従来の周波数安定化技術が高速単点測定とハードウェアコストの両立が困難である問題に対し、周波数変調分光における変調周波数と位相選択の対応関係を確立し、レーザーの周波数安定化および空洞減衰分光システムに適用することで、アセチレンガスの単点高速測定を実現した。理論的には、周波数変調分光における吸収および分散の位相誤差信号が変調周波数の変化に伴いどのように変化するかの進展規則を示し、300 MHzを臨界点として異なる復調位相を優先的に選択する物理的特性を解説した。300 MHz以下では吸収信号が優勢であり、高周波帯域では分散信号が優れている。FPGAを用いたレーザー周波数安定化システムを構築し、実験により誤差信号のピークツーピーク値の進展規則が理論と高度に一致することを検証した。圧力や濃度などのパラメータを最適化し、PIDコントローラを利用してレーザー周波数をアセチレン吸収線の中心に精密にロックし、周波数安定化と線幅狭窄を達成した。安定化したレーザーを空洞減衰分光測定に応用した結果、9 MHz（吸収位相）および350 MHz（分散位相）の変調周波数において、アラン分散解析を用いたシステムの検出限界はそれぞれ6.23×10^-10/cmおよび2.51×10^-10/cmに達し、安定化していない場合の1.55×10^-9/cmに比べて約1桁の性能向上が示された。対応する最低検出濃度は5.09×10^-12 mol/molおよび1.26×10^-11 mol/molであり、これも安定化していない場合の1.55×10^-11 mol/molに対して約1桁の性能向上を実現している。高周波の分散位相は優れた性能を持つものの、低周波の吸収位相に比べて向上幅は限定的であるため、実際の応用では変調周波数とハードウェアコストを総合的に評価し、性能とコストのバランスを取ることで、環境モニタリングおよび産業用センサ領域での高精度・低コストなガスモニタリングに重要な参考資料を提供する。

レーザー分光;空洞減衰分光;周波数変調分光;レーザー周波数安定化;痕跡ガス検出