극초단 펨토초 처프 펄스 증폭(CPA) & 1,000Hz 0-Alloc C# 회절격자 압축기 처프(Chirp) 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.ChirpedPulseAmplification
{
    /// <summary>
    /// CPA 회절격자 압축기 분산 제어 서보 상태 구조체
    /// 0-Alloc ref struct: GC 압박 완전 배제 (1,000Hz 실시간 루프)
    /// </summary>
    public ref struct CpaCompressorState
    {
        public float TargetPulseDurationFs;  // 목표 압축 펄스폭 [fs] (예: 25 fs)
        public float MeasuredPulseDurationFs;// 계측된 변환제한 펄스폭 [fs]
        public float ResidualGddFs2;         // 잔류 군지연 분산 GDD [fs^2]
        public float GratingDistanceMm;      // 회절격자 간 거리 [mm]
        public float PiezoActuatorOffsetUm;  // 피에조 미세 구동 변위 [um]
        public float BIntegralValue;         // 비선형 B-적분치 (안전 한계 < 1.5)
        public bool IsPulseCompressed;       // 최적 압축 잠금 여부
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 무할당 CPA 회절격자 처프 압축 서보 엔진
    /// </summary>
    public static class CpaChirpServoEngine
    {
        // 800nm Ti:Sapphire 레이저 물리 상수
        private const float CenterWavelengthM = 800.0e-9f;
        private const float GratingGroovesPerMm = 1200.0f; // 1200 lines/mm
        private const float SpeedOfLight = 2.99792e8f;

        /// <summary>
        /// 1,000Hz (1ms) 단일 실행 프레임: SPIDER/FROG 간섭 계측 기반 격자 간격 갱신
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static void UpdateFrame(
            ref CpaCompressorState state,
            float currentMeasuredFs,
            float measuredResidualGddFs2,
            float currentPeakPowerGw,
            float dtSeconds)
        {
            state.MeasuredPulseDurationFs = currentMeasuredFs;
            state.ResidualGddFs2 = measuredResidualGddFs2;

            // 1) 비선형 B-적분 감시: B ~ P_peak * n2 * L / lambda
            // 증폭기 내부 손상 방지 한계선 B < 1.5
            state.BIntegralValue = currentPeakPowerGw * 0.085f;

            // 2) 잔류 GDD 오차 기반 격자 이격 거리 서보 피드백
            // GDD 잔류량이 양수이면 음의 분산을 더 주기 위해 격자 거리 G를 증가
            float gddError = measuredResidualGddFs2;
            float gddToDistanceMm = 0.00035f; // mm per fs^2

            float kp = 0.8f;
            float ki = 0.2f;
            float correctionMm = (kp * gddError + ki * gddError * dtSeconds) * gddToDistanceMm;

            state.GratingDistanceMm += correctionMm;
            state.GratingDistanceMm = MathF.Min(500.0f, MathF.Max(100.0f, state.GratingDistanceMm));

            // 3) 피에조 나노 스테이지 미세 보정 변위 [um]
            state.PiezoActuatorOffsetUm = (correctionMm * 1000.0f) % 50.0f;

            // 4) 최적 압축 잠금 판정: 잔류 GDD < 15 fs^2 이내 및 펄스폭 수렴
            state.IsPulseCompressed = (MathF.Abs(state.ResidualGddFs2) < 15.0f) && (state.MeasuredPulseDurationFs <= state.TargetPulseDurationFs * 1.15f);
        }
    }
}