광결정 표면 발광 레이저(PCSEL) 2차원 밴드에지 브래그 회절 & 1,000Hz 0-Alloc C# 결맞음 빔 성형 서보 제어기

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Optoelectronics.Pcsel
{
    /// 

    /// PCSEL 원거리 빔 계측 및 열 센서 텔레메트리 (0-Alloc Stack Only)
    /// 
    public readonly ref struct PcselTelemetry
    {
        public readonly float CenterBeamIntensityW; // [W/cm^2] 중심 피크 광강도
        public readonly float MeasuredDivergenceDeg;// [deg] 측정된 빔 반치폭(FWHM) 발산각
        public readonly float SubstrateTempKelvin;  // [K] 서브마운트 서미스터 온도
        public readonly float DriveCurrentAmps;     // [A] 레이더 펄스 구동 전류
        public readonly float TargetWavelengthNm;   // [nm] 목표 레이저 파장 (예: 940.0 nm)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PcselTelemetry(
            float centerBeamIntensityW,
            float measuredDivergenceDeg,
            float substrateTempKelvin,
            float driveCurrentAmps,
            float targetWavelengthNm)
        {
            CenterBeamIntensityW = centerBeamIntensityW;
            MeasuredDivergenceDeg = measuredDivergenceDeg;
            SubstrateTempKelvin = substrateTempKelvin;
            DriveCurrentAmps = driveCurrentAmps;
            TargetWavelengthNm = targetWavelengthNm;
        }
    }

    /// 

    /// PCSEL 빔 품질 제어 및 열전 냉각(TEC) 연산 결과
    /// 
    public readonly ref struct PcselControlResult
    {
        public readonly float CommandedTecCurrentAmps; // [A] TEC 제어 전류 (+: 냉각, -: 가열)
        public readonly float EstimatedBeamQualityM2;  // [무차원] 추정 빔 품질 계수 M^2
        public readonly float ThermalLensingDiopter;   // [1/m] 열 렌즈 굴절력
        public readonly float CorrectedDivergenceDeg;  // [deg] 예측 보정 빔 발산각
        public readonly bool IsSingleModePreserved;    // 단일 횡모드 결맞음 유지 플래그

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PcselControlResult(
            float commandedTecCurrentAmps,
            float estimatedBeamQualityM2,
            float thermalLensingDiopter,
            float correctedDivergenceDeg,
            bool isSingleModePreserved)
        {
            CommandedTecCurrentAmps = commandedTecCurrentAmps;
            EstimatedBeamQualityM2 = estimatedBeamQualityM2;
            ThermalLensingDiopter = thermalLensingDiopter;
            CorrectedDivergenceDeg = correctedDivergenceDeg;
            IsSingleModePreserved = isSingleModePreserved;
        }
    }

    /// 

    /// 1,000Hz 실시간 PCSEL 대면적 결맞음 빔 성형 서보 제어 엔진
    /// 
    public ref struct PcselBeamShapingEngine
    {
        private const float TargetSubstrateTemp = 298.15f; // [K] 25도 기준 설정점
        private const float MaxDivergenceLimit = 0.5f;     // [deg] 최대 허용 발산각 한계
        private const float DnDtCoeff = 2.5e-4f;           // [1/K] GaAs 굴절률 온도 변화율

        private float integratedTempError;

        /// 

        /// 1ms 주기 빔 품질 추정 및 열전소자(TEC) H-브리지 PWM 제어 루프
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PcselControlResult Update(in PcselTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 온도 오차 및 열적 렌징 굴절력 계산
            float tempError = telemetry.SubstrateTempKelvin - TargetSubstrateTemp;
            integratedTempError += tempError * 0.001f;
            integratedTempError = Math.Clamp(integratedTempError, -5.0f, 5.0f);

            // 열 렌징 파워 (1/f) = (dn/dT * P_diss) / (2 * pi * k_th * w_0^2)
            float dissipatedPowerW = telemetry.DriveCurrentAmps * telemetry.DriveCurrentAmps * 0.25f; // 내부 저항 발열
            float thermalDiopter = (DnDtCoeff * dissipatedPowerW) / 1.5e-3f;

            // 2. 빔 품질 M^2 인자 추정 (회절 한계 대비 배수: 이상적 1.0)
            float m2Factor = MathF.Max(1.0f, telemetry.MeasuredDivergenceDeg / 0.15f);

            // 3. TEC PID 냉각/가열 전류 산출 (H-브리지 양방향)
            // 비례 게이트 1.8 A/K, 적분 게이트 0.5 A/(K*s)
            float commandedCurrent = (tempError * 1.8f) + (integratedTempError * 0.5f);
            commandedCurrent = Math.Clamp(commandedCurrent, -3.0f, 3.0f); // 최대 3A 리미트

            // 4. 열 보정 후 예상 잔여 빔 발산각 계산
            float expectedDivDeg = telemetry.MeasuredDivergenceDeg - (thermalDiopter * 0.02f);
            expectedDivDeg = MathF.Max(0.12f, expectedDivDeg);

            bool isSingleMode = (m2Factor <= 1.5f) && (telemetry.MeasuredDivergenceDeg <= MaxDivergenceLimit);

            return new PcselControlResult(
                commandedTecCurrentAmps: commandedCurrent,
                estimatedBeamQualityM2: m2Factor,
                thermalLensingDiopter: thermalDiopter,
                correctedDivergenceDeg: expectedDivDeg,
                isSingleModePreserved: isSingleMode
            );
        }
    }
}