MPB以及周围软件的浅谈介绍

最近在跑MPB程序，把一些心得体会写下来。如果你对这个领域的知识和程序感兴趣，可以发电子邮件到：ghxandsky@gmail.com

a.
如果你喜欢物理，特别是固体物理，又喜欢光学，特别是光子晶体，但是你不熟悉计算机，甚至不知道GNU/Linux和*BSD为何物或者没有安装此系统，
这没关系，先搜索这方面的资料，强化UNIX风格操作系统的基本命令，这个软件将会很适合你。如果有时间，了解一下Scheme，这个语言很大用途，特别
是构建科学计算程序。

b.如果你喜欢计算机，喜欢自由/开源软件，你的机器已经安装了GNU/Linux或者*BSD系统，那么你可以快
速“预览”这个软件，不过，“预览”过后，如果你依然想把源代码洞察清楚，请翻看关于电动力学和固体物理的书籍，甚至还要了解量子力学的内容。如果你只是
从事互联网和计算机行业，这个程序“预览”在此文就为止了，珍惜时间，把精力放在更专注的领域。

c.如果你来自生物信息或者其他搞模拟计算领域的，或许MPB软件的设计“哲学”可以帮助你设计一些高性能计算程序。

d.如果你对以上abc都不“感冒”，纯粹看图片可以了，窥探一下。

以上是我一点心得，但愿可以给读者思想准备。

MPB
全称是MIT Photonic
Bands，顾名思义，是MIT科研人员开发的一套关于光子晶体能带结构计算工具，之所以冠名“光子”，因为计算的目的就是为了让普通光源（激光）发出光
能量通过这些“猜想”结构的晶体，使到某些频谱范围的受到限制，就是“禁带”。利用禁带的现象，可以制作光学滤波器，商业化后可以安装在光纤网络交换机
中，提高光通滤波效率能耗，提升性能价格比，促进大规模应用，提高互联网基础设施的带宽，彻底改变“龟速”状况，提高广大人民群众互联网生活的幸福感，构
建和谐社会（小星越吹越远了.^_^.）。说明一个问题，其实物理学研究和广大人民群众是息息相关。

这里说明我的工作平台：硬件
Intel P4 2.8Mhz(HT)、i865G、DDR 1G、Geforece 6800GT
256RAM（原本买来打游戏的，现在却用来搞可视化）、SATAII 500G；软件平台Debian GNU/Linux Lenny
5.05(32bit) ，only use stable
，具体基础软件版本参看debian.org。总的来说：没有钱买新机器，Debian稳定易用。

安装软件环境：

sudo apt-get install mpb h5utils qtiplot nlpot

这里，安装程序自动关联libctl、fftw和guile。

说明一下程序的基本功能：

a.Guile(GPL)
是GNU工程一个项目，主要提供GNU/Linux系统的语言扩展，暂时发现支持C和Scheme（没有深入挖掘），我们知道C语言很快，Scheme脚
本语言很灵活，可不可以把两者结合？对！Guile可以满足你需求，用C语言写核心程序，Scheme写原始数据脚本和递归控制流程，当然，混合编程是一
个很深的学问，慢慢学习（我曾经想过使用Guile对GSL的封装，可惜已经有别人做了，而且公开了，我思想落伍了）。

b.mpb(GPL)提供能带计算的平面波展开法，包含麦克斯韦方程组的变换展开。详细见源代码。

c.h5utils(GPL)是一个可视化的组件，提供生成二维图和三维可视化文件，.v5d和.vtk，可以分别使用vis5d和paraview软件，具体这些程序哪里下载和安装，请自行搜索或者Email我。

d.qtiplot(GPL)，Qt界面的绘图软件，功能齐全。

e.libctl(GPL)是一个关于常用晶体格子的函数库，提供晶格和格点的“描述”，向上支持调用，典型的软件有MPB和MEEP。

f.fftw是广泛使用的离散傅立叶变换库之一，类似有GSL，LAPACK和私有的Intel MKL等。

要注意的是，以上软件使用GNU GPL自由软件协议发行。好的，现在默认你已经安装了以上软件。如果不能很好安装或者想使用最新版本，请到MPB官方网站
下载对应软件的最新版本，按照安装提示自行解压安装。

现在要运行测试了，假设目录位置为mpb/，则编写以下文件：

main.ctl 和 run.sh

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 ;-------main.ctl------------- (set! num-bands 8) ;这里设置八个带，是每一个k点计算带的个数 (set! geometry-lattice (make lattice (size 1 1 no-size) (basis1 (/ (sqrt 3) 2) 0.5) (basis2 (/ (sqrt 3) 2) -0.5))) ;这里设置晶格的组成结构，晶格基矢为(1 1 no-size)，因为是平面的原因 ;这里是元包的两个基矢，注意语法 (set! geometry (list (make cylinder (center 0 0 0) (radius 0.2) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon 12)))))) ;设置格点位置放置的晶系，有方格，球，椭圆，圆柱，锥体，台体 ;这里设置圆柱，中心(0 0 0)，半径0.2，高为无穷大，绝缘介质中，介电常数e=12 ;具体的设置见官方文档 (set! k-points (list (vector3 0 0 0) ; Gamma (vector3 0 0.5 0) ; M (vector3 (/ -3) (/ 3) 0) ; K (vector3 0 0 0))) ; Gamma ;设置布里渊区倒空间的k点模样，由于是三角格子，倒空间也是三角格子， ;注意对称性的关系可以减少范围 (set! k-points (interpolate 4 k-points)) ;设置k点，使每个k点间隔4个点内差值细分 (set! resolution 32) ;设置分辨率，也就是精确度 (run-tm (output-at-kpoint (vector3 (/ -3) (/ 3) 0) fix-efield-phase output-efield-z)) ;计算TM模式在矢量方向的数值 (run-te) ;计算TE模式

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 #!/bin/bash mpb main.ctl >& main.out h5topng -S 3 epsilon.h5 h5tov5d epsilon.h5 h5tovtk epsilon.h5 mpb-data -r -m 3 -n 32 epsilon.h5 h5ls epsilon.h5 h5topng epsilon.h5:data-new h5tov5d epsilon.h5:data-new grep Gap main.out grep tmfreqs main.out > main.tm.dat grep tefreqs main.out > main.te.dat

在/mpb目录下输入命令：

$ chmod 755 run.sh  //该为可执行文件

$ ./run.sh                  //执行

等待结果，那么就可以得到图片和数据。



至于怎样绘制main.tm.dat和main.te.dat的数据？首先删除这些文件的第一行，替换删除“tmfreqs:,”，除去“、”替换为空格。好了，打开qtiplot把数据读取进去，划出来就可以了。这里粗糙画画。



这里附加一个其他main.ctl脚本的结构生成的三维图形：



谢谢你能看到这里。.^_^.