광자 결정 광섬유(PCF) 초연속체(Supercontinuum) 생성 & 1,000Hz 0-Alloc C# 4-파 혼합 위상 정합 서보 제어기

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Optics.Supercontinuum
{
    /// 

    /// PCF 초연속체 분광 계측 텔레메트리 (0-Alloc Stack Only)
    /// 
    public readonly ref struct PcfTelemetry
    {
        public readonly float PumpPulseEnergyNj;   // [nJ] 펨토초 펌프 펄스 에너지 (예: 2.5 nJ)
        public readonly float MeasuredBandwidthNm; // [nm] 측정된 -20dB 스펙트럼 폭 (예: 1200 nm)
        public readonly float SpectralFlatnessDb;  // [dB] 스펙트럼 리플 편차 (낮을수록 평탄)
        public readonly float FiberTensionVolts;   // [V] 피에조 인장 액추에이터 전압
        public readonly float FiberTempC;          // [C] 광섬유 주변 온도

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PcfTelemetry(
            float pumpPulseEnergyNj,
            float measuredBandwidthNm,
            float spectralFlatnessDb,
            float fiberTensionVolts,
            float fiberTempC)
        {
            PumpPulseEnergyNj = pumpPulseEnergyNj;
            MeasuredBandwidthNm = measuredBandwidthNm;
            SpectralFlatnessDb = spectralFlatnessDb;
            FiberTensionVolts = fiberTensionVolts;
            FiberTempC = fiberTempC;
        }
    }

    /// 

    /// PCF 비선형 위상 정합 제어 연산 결과
    /// 
    public readonly ref struct PcfControlResult
    {
        public readonly float CommandedPiezoDeltaV;  // [V] ZDW 튜닝용 피에조 전압 보정
        public readonly float CommandedAomPwm;       // [0.0~1.0] 펌프 에너지 조절 AOM PWM
        public readonly float SolitonOrderN;         // [무차원] 유효 솔리톤 차수 N
        public readonly float FissionLengthMm;       // [mm] 솔리톤 분열 시작 거리
        public readonly bool IsSupercontinuumLocked; // 광대역 초연속체 잠금 안정 플래그
        public readonly bool IsFiberDamageRisk;      // 광섬유 코어 광학 손상 위험 경보

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PcfControlResult(
            float commandedPiezoDeltaV,
            float commandedAomPwm,
            float solitonOrderN,
            float fissionLengthMm,
            bool isSupercontinuumLocked,
            bool isFiberDamageRisk)
        {
            CommandedPiezoDeltaV = commandedPiezoDeltaV;
            CommandedAomPwm = commandedAomPwm;
            SolitonOrderN = solitonOrderN;
            FissionLengthMm = fissionLengthMm;
            IsSupercontinuumLocked = isSupercontinuumLocked;
            IsFiberDamageRisk = isFiberDamageRisk;
        }
    }

    /// 

    /// 1,000Hz 실시간 PCF 초연속체 위상 정합 서보 제어 엔진
    /// 
    public ref struct PcfSupercontinuumEngine
    {
        private const float GammaCoeff = 0.085f;    // [/W/m] 유효 비선형 계수 gamma
        private const float DispersionBeta2 = 2.0e-27f; // [s^2/m] ZDW 부근 2차 분산 절대값
        private const float PulseDurationT0 = 100e-15f; // [s] 100fs 펄스 폭
        private const float TargetBandwidthNm = 1250.0f; // [nm] 목표 스펙트럼 대역폭
        private const float MaxSafeEnergyNj = 6.0f;     // [nJ] 광섬유 파손 방지 에너지 한계

        /// 

        /// 1ms 주기 스펙트럼 대역폭 평가 및 피에조 인장/AOM 제어 루프
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PcfControlResult Update(in PcfTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 피크 파워 계산 (P0 = E_pulse / T0)
            float peakPowerW = (telemetry.PumpPulseEnergyNj * 1e-9f) / PulseDurationT0;

            // 2. 분산 길이 L_D 및 비선형 길이 L_NL 역산
            float lengthD = (PulseDurationT0 * PulseDurationT0) / DispersionBeta2;
            float lengthNl = 1.0f / (GammaCoeff * MathF.Max(1.0f, peakPowerW));

            // 솔리톤 차수 N = sqrt(L_D / L_NL)
            float solitonN = MathF.Sqrt(lengthD / lengthNl);

            // 솔리톤 분열 거리 L_fiss = L_D / N
            float fissLengthM = lengthD / MathF.Max(1.0f, solitonN);
            float fissLengthMm = fissLengthM * 1000.0f;

            // 3. 스펙트럼 대역폭 오차 피드백 (AOM 레이저 에너지 제어)
            float bwError = TargetBandwidthNm - telemetry.MeasuredBandwidthNm;
            float targetAomPwm = 0.6f + (bwError * 0.0005f);
            targetAomPwm = Math.Clamp(targetAomPwm, 0.1f, 0.95f);

            // 4. 평탄도(Ripple) 제어: 4-파 혼합 위상 정합을 위한 피에조 인장 전압 미세 조정
            // 인장력은 ZDW를 단파장 방향으로 미세 편이시킴 (감도: 0.05nm/V)
            float flatnessError = telemetry.SpectralFlatnessDb - 3.0f; // 목표 3dB 이하
            float deltaPiezoV = Math.Clamp(flatnessError * 0.25f, -1.5f, 1.5f);

            bool damageRisk = telemetry.PumpPulseEnergyNj >= MaxSafeEnergyNj;
            bool isLocked = (telemetry.MeasuredBandwidthNm >= 1100.0f) && (telemetry.SpectralFlatnessDb <= 4.5f);

            return new PcfControlResult(
                commandedPiezoDeltaV: deltaPiezoV,
                commandedAomPwm: targetAomPwm,
                solitonOrderN: solitonN,
                fissionLengthMm: fissLengthMm,
                isSupercontinuumLocked: isLocked,
                isFiberDamageRisk: damageRisk
            );
        }
    }
}