OpticsFEM 3D 光学仿真扩展实施计划
目标：参照 2D opticsfem-master 完整能力，在 3D opticsfem-master 中实现全部三维光学问题仿真。
重点：边界条件 + 本征频率/本征模式。
验证基准：三维matlab代码/ 各算例的 JSON + .dat + 矩阵/场输出。
现状摘要（2026-06）
| FemType |
问题 |
2D |
3D C++ |
| 0 |
本征模式 (neff) |
✅ |
❌ 无类 |
| 1 |
本征频率 |
✅ |
⚠️ FemType=5 仅组装+矩阵导出 |
| 2/3 |
散射 |
✅ 全边界 |
⚠️ FemType=4 仅 SBC |
| — |
二阶 Nedelec |
— |
❌ MATLAB 有参考 |
3D 散射 DOF：纯边元（NbrEdge）；2D 散射 DOF：NbrVertex + NbrEdge（混合）。
分阶段计划
阶段 0 — 工程基础（并行）
| 序号 |
任务 |
参照 2D |
验证 |
| 0.1 |
Test_Main 支持命令行/环境变量指定 JSON |
— |
切换算例无需重编译 |
| 0.2 |
完善 export_phy_to_json.m（PBC/PEC 块） |
Test_ReadData.cpp |
JSON 与 C++ 解析一致 |
| 0.3 |
统一 EnsureOutputDir、错误码返回 |
— |
运行日志可读 |
阶段 1 — 本征频率闭环 ⭐ 当前执行
| 序号 |
任务 |
参照 2D 文件 |
验证 |
| 1.1 |
OpticsFEM_3D_EigenFreq::Assemble 补 P 矩阵投影 P^T A P |
Assemble_kernel.cpp 2D EigenFreq |
与 MATLAB Av/Bv 一致（已有） |
| 1.2 |
新增 Run() / Post() |
2D EigenFreq |
eigen3d.json + SBCmesh.dat |
| 1.3 |
Post_3D_EigenFreq::GetElectric/OutputData |
Post_3D_Scatter + 2D EigenFreq |
输出 freq/Ex/Ey/Ez/normE |
| 1.4 |
FEM_Interface FemType=5 完整链路 |
FemType=1 |
返回码 5 |
阶段 2 — 散射基础边界 ✅ 已完成
| 序号 |
任务 |
参照 2D 文件 |
验证 |
| 2.1 |
Assemble_PEC_ELE() 3D 实现（边 DOF 消元） |
Assemble_Scatter_2D_Boundary.cpp |
含 PEC 的散射算例 |
| 2.2 |
接入 OpticsFEM_3D_Scatter::Assemble() |
2D Scatter Assemble |
— |
| 2.3 |
ELE 激励（Dirichlet 边条件） |
2D Assemble_PEC_ELE |
ef JSON 块 |
阶段 3 — 周期边界 PBC
| 序号 |
任务 |
参照 |
验证 |
| 3.1 |
Mesh_3D::GetIndexOfPBC() 实现 |
2D Mesh_Find.cpp |
PBCmesh.dat |
| 3.2 |
3D 散射 Assemble_PBC() |
2D + MATLAB main_singlePBC.m |
单周期散射 ✅ |
| 3.3 |
3D 双周期 PBC（散射+本征） |
MATLAB assembly_pbc_double.m |
doublePBC_scatter.json ✅ |
| 3.4 |
JSON 导出 PBC 块 |
export_phy_to_json.m |
PBCmesh.json |
阶段 4 — 源项与背景场边界
| 序号 |
任务 |
参照 2D |
验证 |
| 4.1 |
Assemble_BELE() 3D 体积分+ PML 面积分 |
Assemble_Scatter_2D_Boundary.cpp |
bele 类算例 |
| 4.2 |
Assemble_MAG() |
同上 |
mag.json |
| 4.3 |
Assemble_SCD() |
同上 |
scd.json |
| 4.4 |
Assemble_MPD() / Assemble_EPD() |
同上 |
mpd/epd.json |
| 4.5 |
Post_GetEb() 3D 背景场（BELE 后处理） |
Post_GetEb.cpp |
— |
阶段 5 — 吸收层与端口
| 序号 |
任务 |
说明 |
验证 |
| 5.1 |
3D PML 体积分/边界 |
2D PML 拉伸坐标推广到四面体 |
pml 算例 |
| 5.2 |
3D Port 散射 |
2D Port 480 行逻辑，3D 面模态 |
port 算例 |
| 5.3 |
Beam 高斯光束 |
2D beam JSON |
— |
阶段 6 — 本征模式 & 高阶（扩展）
| 序号 |
任务 |
说明 |
| 6.1 |
OpticsFEM_3D_EigenMode 新类 |
3D 波导 neff，参照 2D EigenMode |
| 6.2 |
二阶 Nedelec 基函数 |
参照 MATLAB 3D二阶基+散射边界条件 |
| 6.3 |
棱柱/四边形边界网格读取 |
Mesh_Interface.cpp 补全 |
FemType 路由规划（目标态）
| FemType |
问题 |
网格 |
| 0 |
2D 本征模式 |
Mesh_2D |
| 1 |
2D 本征频率 |
Mesh_2D |
| 2/3 |
2D 散射 |
Mesh_2D |
| 4 |
3D 散射 |
Mesh_3D |
| 5 |
3D 本征频率 |
Mesh_3D |
| 6 |
3D 本征模式（规划） |
Mesh_3D |
执行顺序与依赖
阶段1 本征频率闭环
↓
阶段2 PEC/ELE ──→ 阶段3 PBC ──→ 阶段4 BELE/源项
↓
阶段5 PML/Port
↓
阶段6 本征模式/二阶
文档修订
| 版本 |
日期 |
内容 |
| v1.0 |
2026-06-18 |
初版计划，启动阶段1 |