DIRECTED ENERGY PROFESSIONAL SOCIETY

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An Introduction to Laser Weapon Systems
Glen P. Perram, Salvatore J. Cusumano, Robert L. Hengehold, and Steven T. Fiorino, Air Force Institute of Technology

Hardback Textbook
463 Pages
2010, Directed Energy Professional Society

Product Details       Table of Contents       Foreword

This book, as well as other books on Directed Energy, are available from the DEPS online store.

1. The Promise of High Energy Laser Weapons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

1.1 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

2.1 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43

3.1 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63

4.1 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123

5.1 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161

6.1 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193

7.1 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203

8.1 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .233

9.1 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .325

10.1 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .339

11.1 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .369

12.1 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .401
Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .415
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .427

 
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Last updated: 1 August 2010