강광쇠광분광법(Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS) 시스템에서 레이저 주파수 드리프트, 라인폭 과도 확대 및 전통적 주파수 안정화 기술이 빠른 단일 지점 측정과 하드웨어 비용 문제를 동시에 해결하기 어려운 문제에 대해, 주파수 변조 분광에서 변조 주파수와 위상 선택의 대응 관계를 구축하고 이를 레이저 주파수 안정화 및 강광쇠광분광 시스템에 적용하여 아세틸렌 가스의 단일 지점 빠른 측정을 실현하였다. 이론적으로 시스템은 주파수 변조 분광에서 흡수 및 분산 위상 오차 신호가 변조 주파수 변화에 따라 진화하는 법칙을 제시하고, 300 MHz를 임계점으로 하여 서로 다른 복조 위상을 우선 선택하는 물리적 특성을 설명하였다. 300 MHz 이하에서는 흡수 신호가 우세하며, 고주파 구간에서는 분산 신호가 보다 우수하다. FPGA 기반 레이저 주파수 안정화 시스템을 구축하였으며, 실험을 통해 오차 신호 피크 투 피크 값 진화 법칙이 이론과 높은 일치도를 보임을 검증하였다. 압력 및 농도 등의 매개변수를 최적화하고 PID 제어기를 이용하여 레이저 주파수를 아세틸렌 흡수선 중심에 정밀하게 고정하여 주파수 안정화와 라인폭 축소를 달성하였다. 안정화된 레이저를 강광쇠광 분광 측정에 적용한 결과, 9 MHz(흡수 위상) 및 350 MHz(분산 위상) 변조 주파수 하에서 Allan 분산 분석을 통해 시스템 검출 한계가 각각 6.23×10^-10 /cm 및 2.51×10^-10 /cm에 도달했으며, 안정화되지 않은 1.55×10^-9 /cm 대비 약 1자릿수 향상을 이루었다. 이에 대응하는 최저 검출 농도는 5.09×10^-12 mol/mol 및 1.26×10^-11 mol/mol로, 안정화되지 않은 1.55×10^-11 mol/mol 대비 약 1자릿수 성능 향상을 실현하였다. 고주파 분산 위상이 우수한 성능을 지니지만 저주파 흡수 위상에 비해 개선 폭은 제한적이므로, 실제 응용에서는 변조 주파수와 하드웨어 비용을 종합적으로 평가하여 성능과 비용 간 균형을 이루어 환경 모니터링 및 산업 센서 분야의 고정밀 저비용 가스 모니터링에 중요한 참고자료를 제공한다.

레이저 분광;강광쇠광 분광;주파수 변조 분광;레이저 주파수 안정화;극미량 가스 검출