quantum_noise_budget — OPTICS `cavity` op

• Datenarten: keine → table (ein Operator, der allein durch seine Argumente bestimmt ist — er nimmt kein Bild und keine Daten entgegen)

• Aufruf: import fullseye as fs; fs.ledger.quantum_noise_budget(power_w: 'float' = 5200.0, mirror_mass_kg: 'float' = 40.0, length_m: 'float' = 3994.5, wavelength_nm: 'float' = 1064.0, *, itm_transmittance: 'float' = 0.014, f_min_hz: 'float' = 5.0, f_max_hz: 'float' = 5000.0, n_points: 'int' = 400) -> 'dict' (die Implementierung direkt: import cavityoptics; cavityoptics.quantum_noise_budget(power_w: 'float' = 5200.0, mirror_mass_kg: 'float' = 40.0, length_m: 'float' = 3994.5, wavelength_nm: 'float' = 1064.0, *, itm_transmittance: 'float' = 0.014, f_min_hz: 'float' = 5.0, f_max_hz: 'float' = 5000.0, n_points: 'int' = 400) -> 'dict'; aus dem Register: opsoptics.get("quantum_noise_budget"))

Verwendung

Quantenrauschen eines konventionellen Fabry-Pérot-Michelson (ohne Signal-Recycling): Schrot-, Strahlungsdruckrauschen und Standard-Quantenlimit.

> Die ausführliche Beschreibung unten ist der Originaltext — Zusammenfassung und Überschriften sind übersetzt.

Parameters

power_w : float

ビームスプリッタに入る光量 I₀ [W] (aLIGO 設計: 125 W × 出力再利用 ≈ 5.2 kW)。

mirror_mass_kg : float

試験質量 m [kg] (aLIGO 40 kg)。

length_m : float

腕の長さ L [m]。

wavelength_nm : float

波長 [nm]。

itm_transmittance : float

入力鏡の強度透過率 T(腕共振器の半値半幅 γ = Tc/4L [rad/s] を決める)。

f_min_hz, f_max_hz : float

周波数範囲(対数等間隔)。

n_points : int

点数。

Returns

dict

f_hz(配列)、振幅スペクトル密度 [1/√Hz] の配列 shot / radiation_pressure /

sql / total(√(S_shot + S_rp))、kappa(Kimble の K(Ω))、

スカラ gamma_rad_s / pole_hz / i_sql_w(I_SQL = mL²γ⁴/4ω₀)/

power_ratio = I₀/I_SQL / f_sql_touch_hz(K = 1 で総和が SQL に触れる周波数、

無ければ None)/ arm_power_w(循環光量 ≈ I₀·2/T の目安)。

Notes

Kimble, Levin, Matsko, Thorne & Vyatchanin, *Phys. Rev. D* 65, 022002 (2001) 式 (16)–(20):

h_SQL² = 8ħ/(mΩ²L²)、K = 2(I₀/I_SQL)γ⁴/(Ω²(γ²+Ω²))、S_shot = h_SQL²/2K、S_rp = K h_SQL²/2。門: S_shot·S_rp = h_SQL⁴/4(光量に依らない恒等式)、S_total ≥ h_SQL² で等号は K = 1 だけ。I₀ = I_SQL のとき K(γ) = 1 なので f_sql_touch_hz = γ/2π。aLIGO の設計感度は信号再利用と熱雑音を含むのでこの曲線とは形が違う —— examples/poc_gw_detector_pseudo_simulation.py が設計曲線と第二実装(gwinc)に当てる。

Familienweiter Eingabevertrag (fail-closed)

Jeder optics-Operator prüft seine Eingabe vor der Berechnung (nichts rutscht stillschweigend durch):

• Einheiten stecken im Argumentnamen — _mm / _um / _deg / _mrad. Eine Verwechslung von mm und µm stürzt nicht ab, sondern liefert eine plausibel aussehende falsche Antwort; der Name verhindert das. Aus der Größenordnung wird nie auf die Einheit geschlossen.

• Strings lösen ValueError aus — float('50') gelingt, sodass ein ungeparster Konfigurationswert als Länge durchrutschen würde (gemessen: thin_lens('50', '200') lieferte plausible 66,667 mm). bool wird als implizite Hochstufung True == 1 ebenfalls abgelehnt.

• complex / Masked Arrays lösen ValueError aus (nur reelle Slots; das stille Verwerfen des Imaginärteils bzw. Abstreifen der Maske wird abgelehnt). NaN/Inf löst bei jeder Eingabe ValueError aus.

• Division durch null und Verwandtes wird namentlich abgelehnt: Brennweite 0, Krümmungsradius 0, Brechzahl <= 0, undurchlässige Blende (alles 0, die Normierung wird 0/0), PSF mit Summe <= 0, Stokes-Vektor mit S0 = 0 und ein Objekt im vorderen Brennpunkt (Bild im Unendlichen).

• Nur zwei Operatoren liefern einen nicht-endlichen Wert, und beide halten das vertraglich fest: depth_of_field liefert jenseits der hyperfokalen Distanz far_mm = inf (genau das bedeutet die hyperfokale Distanz), und gaussian_beam liefert an der Taille wavefront_radius_mm = inf (der Krümmungsradius einer ebenen Wellenfront). Beide liefern zusätzlich einen endlichen Partner (far_is_infinite / curvature_per_mm). Jedes andere stille NaN/Inf wird intern erkannt und löst ValueError aus — "float64 ist übergelaufen" und "die Antwort ist unendlich" sind verschiedene Aussagen; die erste wird nie im Gewand der zweiten geliefert.

• Größenobergrenzen: erzeugte Gitter durch optics.MAX_GRID (4096), übergebene Felder/PSFs/Blenden durch optics.MAX_FIELD_ELEMENTS (2^24), ABCD-Elementketten durch optics.MAX_SYSTEM_ELEMENTS (1024), Zernike durch MAX_ZERNIKE_TERMS (512) / MAX_ZERNIKE_ORDER (40) / MAX_ZERNIKE_BASIS (2^25). Damit werden Pfade fail-closed geschlossen, in denen ein kleines Argument eine riesige interne Allokation auslöst (gemessen: n_max=40 × 4096² braucht 108 GB).

• Physikalisch unmögliche Zustände werden ebenfalls abgelehnt: Stokes-Vektor mit Polarisationsgrad > 1, negative Transmission, negative Intensität und ungültige Zernike-Indizes wie ungerades n-|m|.

Ausführlicher Anwendungsleitfaden

• Leitfaden zur Familie optics_imaging

Referenzen (Beispieldaten, Literatur)

• Katalog der Beispieldaten (Download-URLs / Lizenzen) — 2-D nutzt skimage.data (BSD/Public Domain) plus synthetische Bilder, 3-D nennt Download-URLs echter Datenquellen (Stanford, PDS, …).

• Herkunft und Literatur der Operatoren — die Quellen der Forschung/Verfahren, auf denen diese Operatorfamilie beruht.

• Der kanonische Algorithmus (Autor, Jahr) und seine Anwendungen stehen im Familienleitfaden oben.

Ausführbare Beispiele (verifizierte Samples, die diesen Operator wirklich aufrufen)

• poc_gw_detector_pseudo_simulation — py -3.11 examples/poc_gw_detector_pseudo_simulation.py

Typkompatible Folge-Operatoren (nehmen `table` als Eingabe)

abcd_matrix · wavefront_stats · sfr_from_edge · paraxial_trace · seidel_coefficients · spot_stats · tolerance_analysis · wavefront_from_opd

Gleiche Kategorie (`cavity`)

fabry_perot_response · cavity_strain_transfer · michelson_dc_readout · pdh_error_signal

*Provenance: cavityoptics.py — OPTICS Operator-Registry. Diese Notiz wird von tools/opdocs.py md erzeugt (nicht von Hand bearbeiten).*

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