Introduction to Laser Weapon Systems

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