단일 분자 광학 핀셋(Optical Tweezers) 가우시안 빔 복사압 & 1,000Hz 0-Alloc C# 피코뉴턴 DNA 언폴딩 제어 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.BiophysicsMetrology
{
    /// <summary>
    /// 광학 핀셋 트랩 및 검출기 계측 상태 구조체
    /// </summary>
    public readonly ref struct OpticalTweezersState
    {
        public double TrapPositionNm { get; }       // 레이저 트랩 중심 위치 (nm)
        public double BeadPositionNm { get; }       // 유전체 비드 중심 위치 (nm)
        public double LaserPowerMilliWatt { get; }  // 포획 레이저 출력 (mW)
        public double TemperatureKelvin { get; }    // 챔버 절대 온도 (K)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public OpticalTweezersState(double trapPos, double beadPos, double power, double temp)
        {
            TrapPositionNm = trapPos;
            BeadPositionNm = beadPos;
            LaserPowerMilliWatt = power;
            TemperatureKelvin = temp;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# 피코뉴턴 광학력 계측 및 WLC DNA 탄성 추정 엔진
    /// </summary>
    public ref struct OpticalTweezersEngine
    {
        private const double BoltzmannConst = 1.380649e-23; // J/K
        private const double DnaPersistenceLengthNm = 50.0; // P = 50 nm
        private const double DnaContourLengthNm = 1000.0;   // L0 = 1,000 nm (약 3kbp)
        private const double TrapStiffnessPerMw = 0.08;     // pN / (nm * mW)

        private double _accumulatedExtensionNm;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public OpticalTweezersEngine(double initialExtension)
        {
            _accumulatedExtensionNm = initialExtension;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz 주기 (dt = 0.001s) 광학 포획력 산출 및 과연신 상태 판정
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void ProcessStep(
            in OpticalTweezersState state,
            out double opticalForcePicoNewton,
            out double dnaExtensionNm,
            out bool isOverstretched,
            out double piezoStageCommandNm)
        {
            // 1. 레이저 트랩 강성 kappa = k_mw * Power
            double trapStiffnessPicoNPerNm = TrapStiffnessPerMw * state.LaserPowerMilliWatt;

            // 2. 비드 변위 기반 광학 포획력 F_trap = kappa * (x_trap - x_bead)
            double displacementNm = state.TrapPositionNm - state.BeadPositionNm;
            opticalForcePicoNewton = trapStiffnessPicoNPerNm * displacementNm;

            // 3. DNA 연신 길이
            dnaExtensionNm = state.BeadPositionNm;
            _accumulatedExtensionNm = dnaExtensionNm;

            // 4. 과연신(Overstretching) 상전이 판정 (65 pN 근방)
            isOverstretched = opticalForcePicoNewton >= 63.0 && opticalForcePicoNewton <= 68.0;

            // 5. 정밀 장력 유지를 위한 피에조 나노 스테이지 위치 지령 (Force Clamp 서보)
            const double targetForcePn = 20.0; // 20 pN 클램프
            double forceError = opticalForcePicoNewton - targetForcePn;
            const double servoGain = 0.15; // nm / pN
            piezoStageCommandNm = state.TrapPositionNm - (servoGain * forceError);
        }
    }
}