1. The Promise of High Energy Laser Weapons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.1 The Historical Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.2 Invention of the Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 1.3 Early High Energy Lasers and Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 1.4 President Reagan's Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 1.5 Laser Weapon Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 1.6 Roles and Missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 1.7 Boost-Phase Ballistic Missile Defense . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 1.8 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 1.9 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 2. Fundamentals of Systems Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .212.1 Definition of Systems Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 2.2 The Value of Systems Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 2.3 The Systems Engineering Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25 2.4 Development Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27 2.5 Work Breakdown Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30 2.6 Technology Readiness Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 2.7 Modeling and Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 2.8 Test and Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 2.9 Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34 2.10 Risk Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35 2.11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 2.12 HEL Systems Engineering Example Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 2.13 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 2.14 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42 3. The Primer: An Overview of the HEL Weapon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .433.1 Laser Weapon Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 3.2 Laser Lethality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46 3.3 Beam Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50 3.4 Overview of HEL Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57 3.5 Transition from the Laboratory to the Battlefield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 3.6 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 3.7 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62 4. Fundamentals of Lasers and Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .634.1 The Nature of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63 4.2 Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 4.2.1 Geometrical Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 4.2.2 Physical/Wave Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82 4.3 Radiometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92 4.4 Laser Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96 4.4.1 Emission and Absorption Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97 4.4.2 Lineshapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99 4.4.3 Gain and Threshold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 4.4.4 Laser Pumping and Rate Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103 4.4.5 Laser Cavity and Power Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 4.4.6 Beams and Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112 4.4.7 Unstable Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119 4.5 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121 4.6 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121 5. Chemical Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1235.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123 5.2 Chemical Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124 5.3 Fluid Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126 5.4 Hydrogen Fluoride and Deuterium Fluoride Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129 5.5 The Chemical Oxygen-Iodine Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136 5.6 Laser Engineering of a 100-kW COIL Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149 5.6.1 Transition Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 5.6.2 Supersonic Nozzle Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152 5.6.3 Flow Rates and Power Available . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153 5.6.4 Cross-Section for Stimulated Emission and Gain . . . . . . . . . . . . . . . .155 5.6.5 The Laser Resonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158 5.7 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159 5.8 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160 6. Solid-State Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1616.1 Flashlamp-Pumped Solid-State Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161 6.2 Semiconductor Diode Lasers and Diode Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170 6.3 Diode-Pumped Solid-State Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182 6.4 Joint High Power Solid-State Laser Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187 6.5 High Energy Liquid Laser Area Defense System Program . . . . . . . . . . . . . .190 6.6 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191 6.7 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192 7. Free-Electron Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1937.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193 7.2 Component Hardware and Operating Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196 7.3 FEL Development for Weapons Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .201 7.4 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202 7.5 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .202 8. The Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2038.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203 8.2 Atmospheric Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203 8.3 Atmospheric Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .209 8.3.1 Absorption and Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .209 8.3.2 Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217 8.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231 8.5 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231 8.6 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232 9. Beam Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2339.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .233 9.2 Problem Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .234 9.3 Laser Weapon Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .235 9.4 Beam Control Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241 9.4.1 Beam Directors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .242 9.4.2 Tracker and Wavefront Sensor Illuminators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .244 9.4.3 Track Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .248 9.4.4 Track Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .251 9.4.5 Signal-to-Noise Ratio and Noise-Equivalent Angle . . . . . . . . . . . . . .260 9.4.6 The Inertial Reference Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .264 9.4.7 Fast Steering Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .269 9.4.8 Beam Walk Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .271 9.5 Control Theory for Trackers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .273 9.5.1 Models and Control Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .274 9.6 Statistical Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .285 9.7 Adaptive Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .291 9.7.1 Adaptive Optics Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .292 9.7.2 Laser Beacon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .293 9.7.3 Wavefront Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .293 9.7.4 The Reconstructor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .294 9.7.5 Deformable Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .300 9.7.6 Adaptive Optics Control Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .302 9.8 Beam Control Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .304 9.9 Beam Control Performance Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .305 9.10 Rolling Up the Performance Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .317 9.11 Summary of Performance Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .321 9.12 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .321 9.13 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .323 10. Lethality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32510.1 Basic Laser Lethality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .325 10.2 Laser Material Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .326 10.3 Material Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .327 10.4 Laser Material Coupling and Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .330 10.5 Failure Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .332 10.6 Probabilistic Analysis of Weapon Effectiveness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .334 10.7 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .337 10.8 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .338 11. High Energy Laser Weapon Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33911.1 The Airborne Laser Laboratory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .339 11.2 The Airborne Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .344 11.3 The Tactical High Energy Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .353 11.4 The Advanced Tactical Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .357 11.5 The Spaced-Based Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .361 11.6 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .368 11.7 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .368 12. Laser Weapon System Effectiveness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36912.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .369 12.2 A Long-Range, Air-to-Air Engagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .370 12.2.1 The High-Altitude, Air-to-Air, Long-Range Scenario . . . . . . . . . .370 12.2.2 The Threat and Missile Lethal Fluence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .371 12.2.3 The HELWeapon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .373 12.2.4 The HELWeight Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .374 12.2.5 Performance Model Estimate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .375 12.2.6 Diffraction-Limited Weapon System Performance . . . . . . . . . . . . .377 12.2.7 Platform Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .379 12.2.8 Atmospheric Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .379 12.2.9 System Performance Characterization and Adaptive Optics . . . . .382 12.2.10 Weight-Constrained Trade Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .384 12.2.11 An Example of Risk Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .386 12.3 Short-Range, Air-to-Surface Engagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .387 12.3.1 The Low-Altitude, Air-to-Surface, Short-Range Scenario . . . . . . .387 12.3.2 Lethal Fluence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .389 12.3.3 Tactical HELWeapon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .389 12.3.4 HELWeight Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .390 12.3.5 Diffraction-Limited Weapon System Performance . . . . . . . . . . . . .391 12.3.6 Beam Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .391 12.3.7 Platform Jitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .392 12.3.8 Central Obscuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .392 12.3.9 Atmospheric Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .392 12.3.10 Adaptive Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .394 12.3.11 Aero-Optic Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .395 12.3.12 System Performance Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .395 12.4 Tools for HEL Engagement Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .395 12.5 Suggested Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .398 12.6 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .399 12.7 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .399 Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .401Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .415Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .427
Last updated: 1 August 2010 |