wave op• 数据种类:无 → table(仅由参数决定的算子 —— 不接受图像或数据输入)
• 调用:import optics; optics.gaussian_beam(waist_um=100.0, wavelength_um=1.064, distance_mm=0.0, n_medium=1.0)(或 opsoptics.get("gaussian_beam"))
高斯光束传播:光斑尺寸、波前曲率与 Gouy 相位。
> 以下的详细说明为原文 —— 摘要与标题已翻译。
The `q`-parameter solution of the paraxial wave equation, evaluated at
*distance_mm* from the waist. With `zR = pi*w0^2*n/lambda`:
`w(z) = w0*sqrt(1 + (z/zR)^2) · R(z) = z*(1 + (zR/z)^2)` ·
`psi(z) = arctan(z/zR)` (Gouy) · far-field half-divergence
`theta = lambda/(pi*n*w0)`.
Returns a dict: `radius_um the 1/e^2 field radius w(z)` ·
`rayleigh_mm zR · wavefront_radius_mm R(z)` ·
`curvature_per_mm 1/R(z) · gouy_deg · divergence_mrad` the
far-field half angle · `waist_um and distance_mm` echoed back.
**`wavefront_radius_mm is inf` exactly at the waist, by contract**:
the wavefront there is planar and a plane has infinite radius. That is why
`curvature_per_mm` is also returned — it is 0 at the waist and finite
everywhere, so downstream arithmetic never has to divide by an infinity.
A negative `R (before the waist, z < 0`) means a converging wavefront.
Ground truth it reproduces exactly (verified at machine precision): at
`z = zR the spot is sqrt(2)*w0, the wavefront radius is 2*zR` (its
minimum over all z) and the Gouy phase is exactly 45 degrees; the
beam-parameter product `w0*theta = lambda/(pi*n)` holds for every input.
Raises `ValueError`: non-positive or non-finite *waist_um*,
*wavelength_um*, *n_medium*; non-finite *distance_mm*.
Paraxial and fundamental-mode (TEM00) only: a real multimode beam needs an
`M^2` factor, which this op deliberately does not fake by accepting one
silently.
optics 的每个算子都先校验输入再计算(不让任何东西无声通过):
• 单位写进参数名 —— _mm / _um / _deg / _mrad。把 mm 和 µm 弄混不会崩溃,而是给出「看着合理却是错的答案」,所以用命名来防。这里绝不从数值大小去猜单位。
• **字符串一律 ValueError** —— float('50') 会成功,于是未解析的配置值会被当成长度混进来(实测:thin_lens('50', '200') 曾返回看着合理的 66.667 mm)。bool 也按 True == 1 的隐式提升拒绝。
• **complex / masked array 一律 ValueError(仅接受实数槽位;拒绝无声丢弃虚部或剥掉掩码)。所有输入中的 NaN/Inf 一律 ValueError**。
• 逐项点名拒绝除零及其近亲:焦距 0、曲率半径 0、折射率 <= 0、全不透明光阑(全为 0,归一化变成 0/0)、总和 <= 0 的 PSF、S0 = 0 的 Stokes 矢量、物体位于前焦点(像在无穷远)。
• 只有两个算子会返回非有限值,而且都写进了契约:depth_of_field 在超焦距以外返回 far_mm = inf(这正是超焦距的定义),gaussian_beam 在束腰处返回 wavefront_radius_mm = inf(平面波前的曲率半径)。两者都同时返回一个有限的搭档(far_is_infinite / curvature_per_mm)。**除此之外的无声 NaN/Inf 都在内部检出并 ValueError** ——「float64 溢出了」和「答案是无穷大」是两种不同的主张,不能拿后者的脸去交付前者。
• 尺寸上限:生成网格受 optics.MAX_GRID(4096)限制,传入的场/PSF/光阑受 optics.MAX_FIELD_ELEMENTS(2^24),ABCD 元件序列受 optics.MAX_SYSTEM_ELEMENTS(1024),Zernike 受 MAX_ZERNIKE_TERMS(512)/ MAX_ZERNIKE_ORDER(40)/ MAX_ZERNIKE_BASIS(2^25)。以 fail-closed 堵住「小参数引发巨大内部分配」的路径(实测:n_max=40 × 4096² 需要 108 GB)。
• 物理上不可能的状态同样拒绝:偏振度 > 1 的 Stokes 矢量、负透过率、负强度、n-|m| 为奇数等非法 Zernike 指标。
• 示例数据目录(下载 URL / 许可证) —— 2-D 用 skimage.data(BSD/公有领域)加合成图,3-D 给出真实数据源(Stanford/PDS 等)的下载 URL。
• 算子来历与参考文献 —— 该算子族所依据的研究/方法出处。
• 算法的正典(作者・年份)与用途见上面的族使用指南。
• optics_imaging — py -3.11 examples/optics_imaging.py
table 作为输入)abcd_matrix · wavefront_stats · paraxial_trace · seidel_coefficients · spot_stats · tolerance_analysis · wavefront_from_opd · spot_diagram
wave)airy_pattern · angular_spectrum_propagate · fraunhofer_pattern
*Provenance: optics.py — OPTICS 算子登记表。本条目由 tools/opdocs.py md 自动生成(请勿手工编辑)。*
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