AIDT 온디바이스 STEM 산란형 근접장 광학 현미경(s-SNOM) 나노-FTIR 폴라리톤 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Ssnom
{
    public readonly ref struct SsnomSignalState
    {
        public readonly double NearFieldAmplitudeS3; // 3차 고조파 광학 진폭 s_3
        public readonly double NearFieldPhaseEta3Deg;// 3차 고조파 광학 위상 eta_3 (deg)
        public readonly double NanoAbsorptionIndex;  // 나노 흡수율 a_3 = s_3 * sin(eta_3)
        public readonly double PolaritonWavelengthNm;// 폴라리톤 유효 파장 (nm)
        public readonly double DielectricReal;       // 추출된 시료 유전율 실수부
        public readonly double DielectricImag;       // 추출된 시료 유전율 허수부

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SsnomSignalState(double s3, double eta3, double a3, double lambdaP, double epsR, double epsI)
        {
            NearFieldAmplitudeS3 = s3;
            NearFieldPhaseEta3Deg = eta3;
            NanoAbsorptionIndex = a3;
            PolaritonWavelengthNm = lambdaP;
            DielectricReal = epsR;
            DielectricImag = epsI;
        }
    }

    public ref struct SsnomDemodulationEngine
    {
        private const double TipRadiusNm = 20.0;
        private readonly double _tappingFreqHz;      // 탐침 캔틸레버 공진 주파수 (Hz)
        private readonly double _tappingAmplitudeNm; // 진동 진폭 A (nm)

        private double _referenceMirrorOffsetNm;     // 마이컬슨 기준 거울 위상 오프셋

        public SsnomDemodulationEngine(double tapFreqKhz = 280.0, double tapAmpNm = 50.0)
        {
            _tappingFreqHz = tapFreqKhz * 1000.0;
            _tappingAmplitudeNm = tapAmpNm;
            _referenceMirrorOffsetNm = 0.0;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public SsnomSignalState StepServo(double photodiodeVoltage, double mirrorDitherNm, double dtSec)
        {
            _referenceMirrorOffsetNm += mirrorDitherNm;

            // 1. 고차 고조파(3-Omega) 록인 복조 모사 (배경광 완벽 차단)
            // 높은 차수(n=3)일수록 z에 대한 비선형성이 급격하여 근접장만 남음
            double s3 = Math.Abs(photodiodeVoltage) * 0.125;
            double eta3Rad = (_referenceMirrorOffsetNm * 0.05) % (2.0 * Math.PI);
            double eta3Deg = eta3Rad * 180.0 / Math.PI;

            // 2. 나노 흡수 지수 계산 a_3 = s_3 * sin(eta_3)
            double nanoAbs = s3 * Math.Sin(eta3Rad);

            // 3. 의사 쌍극자 모델 역산 (복소 유전율 추정)
            // beta = (eps - 1)/(eps + 1)
            double epsReal = 1.0 + (s3 * Math.Cos(eta3Rad) * 4.0);
            double epsImag = Math.Max(nanoAbs * 6.0, 0.01);

            // 4. 쌍곡선 폴라리톤 파장 계산 (h-BN Reststrahlen 대역 근사)
            // lambda_p = lambda_0 / Re(q_p)
            double polaritonLambdaNm = Math.Clamp(400.0 / Math.Sqrt(Math.Max(Math.Abs(epsReal), 1.0)), 30.0, 2000.0);

            return new SsnomSignalState(
                s3: s3,
                eta3: eta3Deg,
                a3: nanoAbs,
                lambdaP: polaritonLambdaNm,
                epsR: epsReal,
                epsI: epsImag
            );
        }
    }
}