quantum_noise_budget — OPTICS `cavity` 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 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'(要直接调用实现,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';从台账取用则 opsoptics.get("quantum_noise_budget"))

用法

常规（无信号回收）Fabry-Perot Michelson 的量子噪声：散粒噪声、辐射压噪声与标准量子极限。

> 以下的详细说明为原文 —— 摘要与标题已翻译。

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。

该族通用的输入契约(fail-closed)

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。

详细使用指南

• optics_imaging 族使用指南

参考(示例数据、文献)

• 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。

可运行的示例(实际调用该算子并已验证的样例)

• poc_gw_detector_pseudo_simulation — py -3.11 examples/poc_gw_detector_pseudo_simulation.py

类型可衔接的下一个算子(可接受 `table` 作为输入)

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

同类别(`cavity`)

fabry_perot_response · cavity_strain_transfer · michelson_dc_readout · pdh_error_signal

*Provenance: cavityoptics.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)。*

quantum_noise_budget — OPTICS cavity op

用法