AIDT 온디바이스 STEM 방사광 X선 극저온 요오드(I-127) 포화 흡수 분광 3차 고조파(3f) 복조 633nm He-Ne 레이저 파장 기준 서보 제어기

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.IodineLaser
{
    /// <summary>
    /// 요오드 안정화 He-Ne 레이저 3f 분광 텔레메트리 상태
    /// </summary>
    public readonly ref struct IodineDemodulationTelemetryState
    {
        public readonly double Demodulated3fVoltageMv;   // 3차 고조파 복조 오차 전압 [mV]
        public readonly double PhotodiodeDcPowerMicroW;  // 프로브 광 포토다이오드 DC 파워 [uW]
        public readonly double IodineColdFingerTempC;    // 요오드 콜드 핑거 온도 [degC]
        public readonly double CavityPztVoltageVolts;    // 현재 PZT 구동 전압 [V]

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public IodineDemodulationTelemetryState(double v3f, double dcPwr, double temp, double vPzt)
        {
            Demodulated3fVoltageMv = v3f;
            PhotodiodeDcPowerMicroW = dcPwr;
            IodineColdFingerTempC = temp;
            CavityPztVoltageVolts = vPzt;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 레이저 PZT 서보 출력 명령
    /// </summary>
    public readonly ref struct IodineLaserServoCommand
    {
        public readonly double TargetPztVoltageVolts;    // 목표 PZT 인가 전압 [V]
        public readonly double FrequencyOffsetMegahertz; // 초미세선 중심 기준 주파수 편차 [MHz]
        public readonly double WavelengthUncertainty;    // 파장 상대 불확도
        public readonly bool IsLockedToHyperfinePeak;    // 초미세 피크 잠금 완료 여부

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public IodineLaserServoCommand(double vTarget, double offsetMhz, double uncert, bool locked)
        {
            TargetPztVoltageVolts = vTarget;
            FrequencyOffsetMegahertz = offsetMhz;
            WavelengthUncertainty = uncert;
            IsLockedToHyperfinePeak = locked;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 10,000Hz 주기 3f 복조 요오드 안정화 레이저 파장 기준 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct IodineStabilizedHeNeServoEngine
    {
        private const double PztSensitivityMhzPerVolt = 3.5; // PZT 주파수 튜닝 감도 [MHz/V]
        private const double DemodSlopeMvPerMhz = 12.5;       // 3f 오차 신호 기울기 [mV/MHz]

        private double _accumulatedPztVolts;
        private double _prevErrorMv;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public IodineLaserServoCommand CalculateServoControl(
            in IodineDemodulationTelemetryState state, double dtSeconds)
        {
            double errorMv = state.Demodulated3fVoltageMv;
            double errorDiff = (dtSeconds > 1e-9) ? (errorMv - _prevErrorMv) / dtSeconds : 0.0;
            _prevErrorMv = errorMv;

            // 주파수 편차 역산
            double freqOffsetMhz = errorMv / DemodSlopeMvPerMhz;

            // PI 폐루프 적분
            _accumulatedPztVolts += 0.45 * (errorMv / DemodSlopeMvPerMhz) * (1.0 / PztSensitivityMhzPerVolt) * dtSeconds;
            _accumulatedPztVolts = Math.Clamp(_accumulatedPztVolts, -15.0, 15.0);

            double targetPzt = 75.0 + _accumulatedPztVolts + 0.15 * (freqOffsetMhz / PztSensitivityMhzPerVolt);
            targetPzt = Math.Clamp(targetPzt, 0.0, 150.0);

            // 잠금 상태 판정: 3f 오차 전압 < 0.5mV (주파수 오차 < 40kHz)
            bool isLocked = Math.Abs(errorMv) < 0.50;
            double uncertainty = isLocked ? 2.1e-11 : 4.5e-8;

            return new IodineLaserServoCommand(targetPzt, freqOffsetMhz, uncertainty, isLocked);
        }
    }
}