fullseye

gaussian_beam — OPTICS `wave` op

データ種: なし → table(引数だけで決まる op —— 画像やデータの入力を取らない)
呼び出し: import fullseye as fs; fs.ledger.gaussian_beam(waist_um=100.0, wavelength_um=1.064, distance_mm=0.0, n_medium=1.0) (実装を直接呼ぶなら import optics; optics.gaussian_beam(waist_um=100.0, wavelength_um=1.064, distance_mm=0.0, n_medium=1.0)、台帳から引くなら opsoptics.get("gaussian_beam"))

使い方

Gaussian-beam propagation: spot size, wavefront curvature and Gouy phase.

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.

ファミリ共通の入力契約(fail-closed)

optics の全 op は入力を検証してから計算する(黙って通さない):

単位は引数名に埋め込む — _mm / _um / _deg / _mrad。mm と µm の取り違えは crash ではなく「もっともらしく間違った答え」なので、名前で防ぐ。大きさから単位を推測する処理は一切しない。
文字列は ValueError — float('50') は成功してしまうため、未パースの設定値が長さとして通り抜ける(実測: thin_lens('50', '200') がもっともらしい 66.667 mm を返していた)。bool も True == 1 の暗黙昇格として拒否。
complex / masked array は ValueError(実数枠のみ。虚部の無言切り捨て・マスク剥がしを拒否)。NaN/Inf は全入力で ValueError。
0 除算とその親戚を名指しで拒否: 焦点距離 0・曲率半径 0・屈折率 <= 0・不透明な開口(全 0 なので正規化が 0/0)・総和 <= 0 の PSF・S0 = 0 の Stokes ベクトル・物体が前側焦点にある(像が無限遠)。
非有限を返すのは 2 op だけ、しかも契約として明記: depth_of_field の過焦点距離以遠の far_mm = inf(それが過焦点距離の定義)と gaussian_beam のウエストでの wavefront_radius_mm = inf(平面波面の曲率半径)。どちらも有限の相棒(far_is_infinite / curvature_per_mm)を併せて返す。それ以外の無言 NaN/Inf は内部で検出して ValueError —「float64 が溢れた」と「答えが無限大」は別の主張なので、後者の顔で前者を返さない。
サイズ上限: 生成格子は optics.MAX_GRID(4096)、供給された場/PSF/開口は optics.MAX_FIELD_ELEMENTS(2^24)、ABCD 素子列は optics.MAX_SYSTEM_ELEMENTS(1024)、Zernike は MAX_ZERNIKE_TERMS(512)/ MAX_ZERNIKE_ORDER(40)/ MAX_ZERNIKE_BASIS(2^25)。小さな引数から巨大な内部確保が起きる経路(実測: n_max=40 × 4096² で 108 GB)を fail-closed で塞ぐ。

物理的に不可能な状態も拒否: 偏光度 > 1 の Stokes ベクトル、負の透過率、負の強度、n-

が奇数などの不正な Zernike 添字。

詳しい使い方ガイド

optics_imaging ファミリガイド

参考(サンプルデータ・文献)

サンプルデータカタログ(DL URL / ライセンス) — 2-D は skimage.data(BSD/public)+ 合成、3-D は実データ源(Stanford/PDS 等)の DL URL。
演算子の来歴・参考文献 — この op 族の元になった研究/手法の出典。
アルゴリズムの正典(著者・年)と用途は上記ファミリ使い方ガイドに記載。

実行できる例(この op を実際に呼ぶ検証済みサンプル)

optics_imaging — py -3.11 examples/optics_imaging.py

型が繋がる次の op(`table` を入力に取れる)

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

同カテゴリ(`wave`)

airy_pattern · angular_spectrum_propagate · fraunhofer_pattern · defocus_from_shift · pupil_psf · pupil_blur

Provenance: optics.py — OPTICS operator registry. この per-op ノートは tools/opdocs.py md が自動生成(手編集しない)。

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