GUI-hpFEM: FEM-Modellwerkstatt

Streamlit-Oberfläche für die Bibliothek hp-FEM (hp-Finite-Elemente für die Nano-Optik). Periodische Struktur eingeben, mit Gmsh vernetzen, mit hp-FEM rechnen, Spektren, Beugungsordnungen und Feldkarten ansehen. Es sind keine BEM- oder RCWA-Daten nötig.

Funktionen

• Modell: Materialbibliothek (Si, Ag, Au, Al, GaAs, MAPbI3, SiO2, TiO2, Wasser, Luft) sowie n+ik, ε, Drude und eigene Tabellen; Schichtaufbau; Formen (Rechteck, Trapez, Kreis, Ellipse, Polygon); TE/TM, θ, φ, λ und Durchläufe; Vorlagen und Prüfmeldungen.
• Netz: Gmsh-Vernetzung nach Wellenlänge und Eindringtiefe, periodische Ränder, gekrümmte Elemente, PML-Auslegung.
• Rechnung: hpfem.grating (TE/TM/konisch) mit den Prüfungen der Bibliothek, skalarem E_z-Pfad, Flussbilanz und Ableitungen (Jacobi-Matrix nach ε, λ, θ, φ); hp-Adaptivität für TE, TM und konischen Einfall (Residuen- oder zielorientierter DWR-Schätzer); Resonanzen und Bänder der offenen Zelle; klassischer konischer Löser und In-Ebenen-Löser; Konvergenzstudie in p; Prüfen mit Speicherschätzung vor dem Rechnen; Hintergrundprozess mit Phasenanzeige und Abbruch zwischen den Phasen.
• Isolierte Strukturen (neu): einzelner Draht, Graben, Schlitz oder Stufe im Schichtstapel mit PML links und rechts (statt Bloch-Rändern): Streu-, Absorptions- und Extinktionsbreite (Mie-Vergleich für Zylinder), Fernfeld, Detektoren für den Energiefluss (z. B. Slit-Groove-Benchmark), Feldkarten.
• Rotationskörper (neu): Resonatoren und Emitter mit Rotationssymmetrie (Mikrosäule mit Bragg-Spiegeln und Quantenpunkt, Kugeln, Nanopartikel, Scheiben, Ringe; planare Schichten wie Spiegel oder Membranen laufen durch die PML) in der Meridianebene: Resonanzen (komplexe Frequenz, Güte Q, Modenfelder), Emitter auf der Achse (Purcell-Faktor, Abstrahlung nach oben/unten über der Wellenlänge, auch um die Resonanz zentriert, Modenzerlegung per Riesz-Projektion) und Streuung ebener Wellen an Partikeln (Streu-, Absorptions- und Extinktionsquerschnitt mit Mie-Vergleich, Streudiagramm, Nahfeld).
• Studien (neu): Optimierung (L-BFGS-B, Nelder-Mead, Evolution, Bayes), Rekonstruktion von Parametern aus Messwerten mit Unsicherheiten und Posterior, Unsicherheits- und Sensitivitätsanalyse (Sobol') mit dem Job-Runner der Bibliothek; Verlauf, Pareto-Front, Posterior und Sobol'-Balken, Abbruch und Fortsetzen.
• Ergebnisse: Spektren, Beugungsordnungen (R, T, A), Feldkarten (exakt auf den Elementen) für E, H und den Poynting-Vektor, Schnitte, Absorption je Material, Energie- und Flussbilanz, Zeit je Phase, Ableitungen, Resonanzen/Bänder mit Modenfeldern, hp-Adaptivität, CSV-Export.

Ausführliche Bedienung: docs/ANLEITUNG.md. Aufbau des Codes: docs/ARCHITEKTUR.md.

Voraussetzungen

Die App startet die Rechnung (Worker) als eigenen Prozess in einem Python mit hpfem. Das kann dasselbe Python sein wie das der App (empfohlen) oder ein anderes:

Teil	Python	Pakete
App (Oberfläche, Gmsh, Auswertung)	beliebiges Python ≥ 3.10	pip install -r requirements.txt
Rechnung (Worker)	ein Python mit hpfem	hp-FEM ab 0.4 empfohlen (hpfem.grating, Resonanzen, Prüfungen; Ableitungen ab dem Stand M16, Kristalle und Jones-/Mueller-Matrizen ab M19 auf main). Ältere Versionen mit ConicalScattering gehen mit den klassischen Lösern.

Installation und Start (Windows, eine Umgebung für App und Rechnung)

git clone https://github.com/PhotonPower/GUI-hpFEM.git
git clone https://github.com/PhotonPower/hp-FEM.git hp-FEM-lib     # daneben
cd GUI-hpFEM
py -3.11 -m venv .venv
.venv\Scripts\python -m pip install -r requirements-dev.txt

hpfem in dieselbe venv: entweder das fertige Wheel des Releases (z. B. hpfem-0.4.0-cp311-cp311-win_amd64.whl von der Release-Seite von hp-FEM) mit pip install <wheel>, oder den neuesten Stand von main selbst bauen (MSYS2 UCRT64 mit gcc, cmake und ninja aus pip, wie der Wheels-Workflow von hp-FEM):

# in Git Bash, im Ordner hp-FEM-lib
export PATH="$PWD/../GUI-hpFEM/.venv/Scripts:/c/msys64/ucrt64/bin:$PATH" CC=gcc CXX=g++ CMAKE_GENERATOR=Ninja
python -m pip install ninja cmake
python -m pip wheel . -w dist --no-deps --config-settings=cmake.define.HPFEM_ENABLE_MUMPS=OFF --config-settings=cmake.define.HPFEM_STATIC_RUNTIME=ON
python -m pip install dist/hpfem-*.whl

Start: Doppelklick auf start_windows.bat (nimmt .venv, wenn vorhanden), unter Linux/macOS ./start.sh, oder streamlit run fem_gui/fem_app.py.

In der Seitenleiste:

• Python mit hpfem: vorbelegt mit dem Python der App, wenn es hpfem hat; sonst z. B. C:/msys64/ucrt64/bin/python3.exe. Darunter meldet die App Version, Löser-Backends, Threads und (unter „Bibliothek: Details“) die vorhandenen Funktionen.
• hp-FEM-Ordner (optional): vorbelegt aus HPFEM_REPO, ../hp-FEM-lib oder ../hp-FEM. Er kommt nur dann in den PYTHONPATH des Workers, wenn dort ein gebautes Modul liegt (python/hpfem/_hpfem*.pyd); sonst würde er das installierte hpfem verdecken.
• Arbeitsordner und Threads.

Hinweis zu pip: Nennt eine globale pip.ini einen nicht erreichbaren zusätzlichen Index (z. B. pypi.ngc.nvidia.com), bricht pip mit Verbindungsfehlern ab. Abhilfe nur für die venv: .venv\pip.ini mit

[global]
index-url = https://pypi.org/simple
extra-index-url =

Mit der Vorlage „Dünnschicht SiO2 auf Si“ ist ein erster Test des Lösers möglich (R und T gegen den ebenen Stapel).

Entwicklung

pip install -r requirements-dev.txt
ruff check .
pytest

Die Tests brauchen weder hpfem noch ein funktionierendes Gmsh. Siehe CONTRIBUTING.md und CHANGELOG.md.

Lizenz

MIT, siehe LICENSE. Die optischen Daten der Bibliothek stammen aus der refractiveindex.info-Datenbank (CC0) über hp-FEM.