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研究生: 徐毓倫
Yu-Lun Hsu
論文名稱: 以二氧化碳分子光譜檢驗量子力學對稱假說
Testing Symmetrization Postulate of Quantum Mechanics by Spectroscopy of Carbon Dioxide Molecule
指導教授: 施宙聰
Jow-Tsong Shy
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年: 2004
畢業學年度: 92
語文別: 中文
論文頁數: 56
中文關鍵詞: 對稱假說差頻週期平均法準相位匹配
外文關鍵詞: Symmetrization Postulate, Difference Frequency Generation, Cyclic Average method, Quasi Phase Matching, Symmetry-Violation Parameter
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  • 對於量子力學而言,對稱假說(symmetrization postulate)為描述有多個等同粒子(identical particles)的系統時最基本的準則。而這些等同粒子的行為也必須遵守由對稱假說所衍生出來的統計規則,如費米-狄拉克統計(Fermi-Dirac statistics)與玻色-愛因斯坦統計(Bose-Einstein statistics)。然而在廣義場論(generalized field theory)的研究裡,卻發現系統有違反對稱假說的可能性。到目前為止,不僅違反對稱假說的理論尚未建立完備,同時,違反對稱假說的可能性也沒有實驗上的證明。

    本論文以研究二氧化碳分子在4.3 μm (0001-0000)附近的吸收來驗證對稱假說。以結合摻銣釔鋁石榴石雷射(Nd:YAG, 1 W, 1064 nm)以及鈦藍寶石雷射(Ti:Sapphire, 1.8W, 780~870 nm)經過週期極化反轉鈮酸鋰(PPLN:Periodically Poled LiNbO3)晶體後產生的差頻(DFG:Difference Frequency Generation)雷射作為研究光源,同時藉由FM (Frequency Modulation)飽和吸收光譜的機制,將鈦藍寶石雷射鎖在碘分子的超精細結構上以降低此中紅外光的頻率不準度。利用此光源以及吸收長度為100公尺的multi-pass cell在對稱假說所不允許的躍遷位置((0001-0000) R(25), 2367.266430 cm-1)掃頻,並且選取(0221-0220) R(80)為marker line (2367.229989 cm-1),同時利用週期平均法(cyclic average method)來消去伴隨multi-pass cell而來的干涉條紋。

    到目前為止,利用本系統可將二氧化碳分子中兩個O16間forbidden exchange-antisymmetric states的上限推至 ,此結果比現有文獻中上限的極值 小兩個數量級。期望在不久的將來可以將上限再推至更小的極限以幫助量子理論的發展。


    The symmetrization postulate (SP) is regarded as the foundation of quantum mechanics. It stated that wavefunction of bosons must be symmetry, and fermions' must be anti-symmetry with respect to exchange of two identical particles. Recently, there were some theories predicted the possible violation of symmetrization postulate. In order to verify these predictions, the existence of the absorption lines forbidden by the SP is searched by high sensitive spectroscopic method.

    We use a tunable single-frequency mid-infrared PPLN (periodically poled lithium niobate) DFG (Difference Frequency Generation) source and a multi-pass absorption cell to search the forbidden exchange-antisymmetric line 0001-0000 R(25) of carbon dioxide spectrum. The DFG source is pumped by a single frequency Nd:YAG laser (1 W, 1064 nm) and a single frequency Ti:Sapphire laser (1.8 W, 780~870 nm). The Ti:Sapphire laser is frequency locked on the hyperfine structure of iodine molecule to reduce the frequency drift of the DFG source. We determine the upper limit of symmetry-violation parameter with a nearby SP allowed weak absorption line 0221-0220 R(80). For the purpose of increasing the sensitivity, we use cyclic average method to eliminate the fringe due to the optical interference of the multi-pass absorption cell. Furthermore, we average the results of 688 scans to reduce the noise.

    We have pushed the upper limit of symmetry-violation parameter to . To our knowledge, our result was two order lower than previous works. In the future, we will further improve the upper limit by reduce the drift of DFG source. This research is important for the fundamental of quantum mechanics.

    目 錄 摘 要 i Abstract ii 誌 謝 iii 目 錄 iv 圖 目 錄 vi 表 目 錄 vii 第一章 導論 1 第一節 研究回顧 1 第二節 中紅外差頻雷射光源 3 第三節 論文簡介 4 第二章 對稱假說 5 第一節 理論背景 5 第二節 實驗證明 6 第三節 二氧化碳分子能階計算 8 第三章 中紅外可調差頻雷射光源 10 第一節 原理 10 第二節 中紅外可調差頻雷射 15 第三節 鈦藍寶石雷射的穩頻 22 第四章 二氧化碳分子光譜 29 第一節 分子吸收光譜 29 第二節 實驗裝置 30 第三節 multi-pass cell 33 第四節 週期平均法 37 第五節 實驗結果 42 第五章 結論與未來展望 48 附錄Ⅰ 51 附錄Ⅱ 52 附錄Ⅲ 54 參考文獻 55 圖 目 錄 圖 三 1 (a) Phase matching (b) Quasi-phase matching (c) Non-phase matching 14 圖 三 2 Verdi 10雷射的構造圖 17 圖 三 3 鈦藍寶石雷射的構造圖 18 圖 三 4 摻銣釔鋁石榴石雷射的構造圖 19 圖 三 5 PPLN晶體 20 圖 三 6 PPLN晶體的溫控裝置 21 圖 三 7 FM spectroscopy in frequency domain 23 圖 三 8 S1、S2與S3隨 R的變化 24 圖 三 9 FM spectroscopy實驗裝置 26 圖 三-10 FM飽和吸收訊號 27 圖 三 11 FM鎖頻的error signal 28 圖 四 1 二氧化碳分子光譜實驗裝置 32 圖 四 2 New Focus 5612 multi-pass cell 34 圖 四 3 往返90趟的鏡面樣式 35 圖 四-4 往返182趟的鏡面樣式 36 圖 四 5 伴隨multi-pass cell而來的干涉條紋 37 圖 四 6 週期平均法 38 圖 四 7 被干涉條紋所蓋住的訊號 40 圖 四 8 Nd:YAG雷射的頻率飄移量 42 圖 四 9 二氧化碳0221-0220 R(80)在氣壓為4.05 torr的吸收圖 44 圖 四 10 半高全寬隨氣壓的變化 44 圖 四 11 吸收係數隨氣壓的變化 45 圖 四 12 利用週期平均法消除干涉條紋後的訊號 46 圖 四 13 688張數據圖的平均結果 47 表 目 錄 表 二 1 二氧化碳0001-0000吸收帶的分子常數 8 表 四 1 New Focus 5612 multi-pass cell規格表 34 表 五 1 本論文與Mazzotti等人的實驗之比較 48

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