Όπλα laser ισχύος HEL (High Energy Lasers)

Υποναυάρχου (ε.α.) Γεωργίου Σάγου ΠΝ

Από το βιβλίο «Εισαγωγή στα Ηλεκτροοπτικά Συστήματα»

Εκδόσεις iWrite, 2017

ISBN 978-618-5218-78-2

Εισαγωγή – Ιστορική αναδρομή

Τα όπλα laser ισχύος HEL (High Energy Lasers) αποτελούν μια ενδιαφέρουσα τεχνολογική καινοτομία, η οποία επιδιώκει την καταστροφή ή την εξουδετέρωση συγκεκριμένων τύπων στόχων, που βρίσκονται σε γραμμή οπτικής επαφής, μέσω της εστίασης οπτικής (θερμικής) ενέργειας. Η καταστροφικότητα των όπλων αυτών, βασίζεται στη συγκέντρωση της απαιτούμενης θερμικής ενέργειας στην εξωτερική επιφάνεια του στόχου, για τυπικό χρονικό διάστημα από μερικά δευτερόλεπτα έως και μερικές δεκάδες δευτερόλεπτα. Ουσιαστικά, τα laser ισχύος ενεργούν επί του στόχου ως φλόγιστρο αερίου. Τα περισσότερα από τα όπλα αυτά, μέχρι πρόσφατα βρισκόντουσαν ακόμη σε πειραματικό στάδιο ανάπτυξης, ενώ ανήκουν στη γενικότερη κατηγορία των όπλων κατευθυνόμενης ενέργειας DEW (Directed Energy Weapons).[1] Τα τελευταία, περιλαμβάνουν επίσης τεχνολογίες σχετικά με την παραγωγή δέσμης υψηλής συγκέντρωσης ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας, όπως πχ μικροκυματικές λυχνίες HPM (High Power Microwave), αλλά και διατάξεις υψηλής συγκέντρωσης ατομικών ή υπο-ατομικών σωματιδίων (σωματίδια υψηλής ταχύτητας προερχόμενα από κάποιο επιταχυντή).[2] Σκοπός των DEW είναι η εξουδετέρωση/ καταστροφή εγκαταστάσεων και εξοπλισμού του αντιπάλου, όπως κέντρων διοίκησης & ελέγχου (C2), αποστολές καταστολής αεράμυνας SEAD (Suppression of Enemy Air Defense), τεχνητών δορυφόρων, βαλλιστικών πυραύλων, αεροσκαφών, κτλ.

Παραδοσιακά, από την εποχή του ψυχρού πολέμου, η έρευνα για τα συγκεκριμένα όπλα, εγκατεστημένα πάνω σε κινούμενες πλατφόρμες, αφορούσε κυρίως σε laser τεράστιας ισχύος, όπως πχ τα διοξειδίου του άνθρακα (CO2), τα χημικά (MIRACL, COIL/ABL/ATL, AGIL, κτλ) ή άλλου τύπου δυναμικά laser αερίου (GDL), με τη φιλόδοξη επιδίωξη της έγκαιρης εξουδετέρωσης διηπειρωτικών βαλλιστικών βλημάτων (ICBM) που μεταφέρουν πυρηνικές κεφαλές, σε μεγάλες αποστάσεις.

Αρχικά, τα όπλα αυτού του τύπου επρόκειτο να υλοποιηθούν από τις ΗΠΑ σε στρατηγικό επίπεδο, κατά το λεγόμενο ‘πόλεμο των άστρων’, για την καταστροφή των σοβιετικών πυραύλων σχεδόν αμέσως μετά από την εκτόξευσή τους (Strategic Defense Initiative – SDI).[3] Ένα τέτοιο αντιπυραυλικό σύστημα, θα περιλάμβανε συστήματα laser εγκατεστημένα στο τότε διαστημικό λεωφορείο (space shuttle), σε τεχνητούς δορυφόρους σε τροχιά, αλλά και σε επίγειες βάσεις. Στην τελευταία περίπτωση, το σύστημα θα λειτουργούσε σε συνδυασμό με κάποιους δορυφορικούς ανακλαστήρες (κάτοπτρα), οι οποίοι θα οδηγούσαν τη δέσμη laser εναντίον εχθρικών (κατασκοπευτικών) δορυφόρων ή διηπειρωτικών βαλλιστικών βλημάτων (ICBM). Τα χρησιμοποιούμενα για το σκοπό αυτό laser, θα μπορούσαν να είναι νεοδυμίου-γυαλιού, διοξειδίου του άνθρακα ή χημικά (HF/DF). Από τις πιο ελκυστικές επιλογές ήταν τα δυναμικά laser αερίου (CO2), ανοικτού ή κλειστού τύπου, τα οποία επιτυγχάνουν υπερηχητικές ταχύτητες ροής, τόσο για την απαιτούμενη ενεργειακή άντληση (αντιστροφή πληθυσμών), όσο και για την αποτελεσματικότερη ψύξη του συστήματος (αποβολή της παραγόμενης θερμότητας).

Σχήμα 1: Το πρόγραμμα ALTB (Airborne Laser Testbed), πρώην ABL (Airborne Laser) της MDA (Missile Defense Agency) απετέλεσε στοιχείο της συνολικής αρχιτεκτονικής της παγκόσμιας αντιβαλλιστικής άμυνας των ΗΠΑ.

Από τα πρώτα πειραματικά όπλα κατευθυνόμενης ενέργειας laser ήταν για παράδειγμα, το YAL-1 Airborne Laser, εγκατεστημένο σε αεροσκάφος Boeing 747, για την κατάρριψη βαλλιστικών πυραύλων μικρού και ενδιάμεσου βεληνεκούς στη φάση εκτόξευσης.

Ένα άλλο παράδειγμα χρήσης laser ως αμυντικού όπλου, που διερευνήθηκε στο πλαίσιο της πρωτοβουλίας SDI, θα χρησιμοποιούσε επίγεια ή διαστημικά συστήματα για την καταστροφή των εισερχόμενων διηπειρωτικών βαλλιστικών πυραύλων (ICBM). Τα πρακτικά προβλήματα χρήσης και στόχευσης αυτών των συστημάτων ήταν πολλά, ιδιαίτερα στο θέμα της καταστροφής των πυραύλων κατά την πιο κατάλληλη στιγμή, δηλαδή στη φάση της εκτόξευσης. Αυτό θα απαιτούσε την κατεύθυνση δέσμης laser ισχύος σε πολύ μεγάλη απόσταση μέσω της ατμόσφαιρας, η οποία, λόγω της οπτικής σκέδασης και διάθλασης, θα παραμόρφωνε και θα έκαμπτε τη δέσμη, περιπλέκοντας τη στόχευση και μειώνοντας την απόδοση του συστήματος.

Μια ακόμη ιδέα από το πρόγραμμα SDI ήταν το laser ακτίνων Χ με πυρηνική άντληση. Ουσιαστικά, αυτό θα αποτελούσε μια περιφερόμενη σε τροχιά ατομική βόμβα, περιβαλλόμενη από ενεργό μέσο laser σε μορφή μεγάλου πλήθους γυάλινων ράβδων, μήκους 1-2 m. Με την έκρηξη της βόμβας, οι ράβδοι θα βομβαρδίζονταν με υψηλής ενέργειας φωτόνια ακτινοβολίας γάμμα, προκαλώντας αυθόρμητη και διεγερμένη εκπομπή φωτονίων ακτίνων Χ, στα άτομα που αποτελούν τις ράβδους. Αυτό, θα οδηγούσε σε οπτική ενίσχυση των φωτονίων ακτίνων Χ, παράγοντας δέσμη laser ακτίνων Χ που θα επηρεαζόταν ελάχιστα από την ατμοσφαιρική παραμόρφωση και θα μπορούσε να καταστρέψει τους πυραύλους ICBM κατά την πτήση. Το laser ακτίνων Χ θα ήταν μια συσκευή αυστηρά μιας βολής, που αυτοκαταστρέφεται κατά την ενεργοποίηση. Ορισμένες αρχικές δοκιμές της ιδέας πραγματοποιήθηκαν με υπόγειες πυρηνικές εκρήξεις (πρόγραμμα Excalibur), χωρίς όμως ενθαρρυντικά αποτελέσματα.

Στη συνέχεια, το ενδιαφέρον μετατοπίστηκε σε μικρότερης ισχύος laser, για χρήση σε τακτικό επίπεδο, φερόμενα από ελικόπτερα, μαχητικά αεροσκάφη και μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα μάχης (UCAV), όπως πχ το Predator C, της General Atomics Aeronautical Systems. Για την έγκαιρη και αποτελεσματικότερη εγγύς αεράμυνα από αεροσκάφη, ελικόπτερα, UAV/UCAV, κατευθυνόμενα βλήματα cruise, κτλ, παρά τα όποια τεχνικά προβλήματα, έχουν διεξαχθεί σημαντικές προσπάθειες ανάπτυξης laser υψηλής ισχύος για χρήση σε τακτικό επίπεδο THEL (Tactical High Energy Laser). Βασικό χαρακτηριστικό των συστημάτων αυτών, είναι η άμεση ταχύτητα αντίδρασης και η δυνατότητα εμπλοκής με μεγάλο αριθμό στόχων ταυτόχρονα, πλεονεκτήματα που δεν επιτυγχάνονται από άλλα συστήματα αεράμυνας.

Με την πάροδο του χρόνου, τα προγράμματα των χημικών laser ισχύος εγκαταλείφθηκαν και στη θέση τους αναπτύχθηκε σειρά προγραμμάτων βελτιωμένων laser ισχύος στερεάς κατάστασης SSL (Solid State Lasers), κυρίως για χρήση σε τακτικό επίπεδο.[4] Σε μικρότερη κλίμακα ισχύος και για πολύ κοντινότερες αποστάσεις έχουν μέχρι σήμερα κατασκευαστεί διάφορα συστήματα laser στερεάς κατάστασης, συμπεριλαμβανόμενης και της κατηγορίας των οπτικών ινών.

Σήμερα, τα διάφορα χημικά και δυναμικά laser αερίου θεωρούνται απαρχαιωμένες λύσεις, παρότι αναπτύχθηκαν αρκετά σε παλαιότερες δεκαετίες και ήταν τα πρώτα που κατάφεραν οπτική ισχύ εξόδου συνεχούς λειτουργίας >1 MW. Το κύριο μειονέκτημά τους είναι η ανάγκη για μεγάλο αριθμό αναλώσιμων εξαρτημάτων, που είναι απαραίτητα για τη διατήρηση μιας αντίδρασης που παράγει την ακτινοβολία laser. Τα χημικά laser ισχύος βασίζονται σε περίπλοκες χημικές αντιδράσεις ειδικών καυσίμων, όπου το αέριο καύσιμο διέρχεται μέσω κοιλοτήτων συντονισμού με υπερηχητική ταχύτητα. Παρότι είναι ισχυρότερα, τελικά δεν προτιμώνται σε στρατιωτικές εφαρμογές έναντι των laser ισχύος στερεάς κατάστασης, τα οποία χρησιμοποιούν διηλεκτρικά κρυσταλλικά / κεραμικά υλικά ή γυαλί, με νόθευση/προσμίξεις ιόντων. Μεταξύ των άλλων, τα χημικά laser έχουν πολύ περιορισμένο αριθμό βολών (υψηλή κατανάλωση καυσίμων), συγκριτικά με τα στερεάς κατάστασης που εξαρτώνται αποκλειστικά από τη δυνατότητα παροχής ηλεκτρικού ρεύματος. Τα laser στερεάς κατάστασης έχουν μικρότερο μέγεθος, είναι ελαφρύτερα, αποδοτικότερα (25-35%) και δεν παράγουν επιβλαβείς χημικές ουσίες ή ιονίζουσα ακτινοβολία. Τα χημικά laser ήταν ογκώδη, χρησιμοποιούσαν τεράστιες ποσότητες τοξικών καυσίμων και το εμπλεκόμενο προσωπικό φορούσε προστατευτικό εξοπλισμό. Όμως, η ανάπτυξη laser ισχύος στερεάς κατάστασης συνεχούς λειτουργίας (CW) παρουσιάζει προβλήματα, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται κατά τη λειτουργία τους (υψηλή συγκέντρωση ενεργού μέσου με χαμηλή θερμική αγωγιμότητα). Παραδοσιακά, τα laser στερεάς κατάστασης έχουν χαμηλό βαθμό απόδοσης, ενώ υπερθερμαίνονται εύκολα, μειώνοντας την ποιότητα (εστίαση) της παραγόμενης δέσμης, αλλά επίσης κινδυνεύοντας με καταστροφή. Για να είναι πρακτικά εφαρμόσιμα και αποτελεσματικά στο πεδίο της μάχης, αξιόπιστα και με ικανό επίπεδο ισχύος, απαιτούν πολύ μεγάλη ηλεκτρική ισχύ (λόγω σχετικά χαμηλού βαθμού απόδοσης), ενώ για να μην υπερθερμαίνονται απαιτούν κατάλληλα συστήματα ψύξης.

Σχήμα 2: Εταιρείες όπως η Northrop Grumman (πρώην TRW) έχουν αναπτύξει και δοκιμάσει κατά το παρελθόν, τακτικά αντιαεροπορικά συστήματα χημικών laser (HF) υψηλής ισχύος 100 kW (THEL), ικανά να εγκαθίστανται σε κινούμενες πλατφόρμες, ακόμη και σε ελικόπτερα ή UAV. Το δραστικό βεληνεκές των συστημάτων αυτών κυμαίνεται από 1 έως 5 km, ενώ το κόστος χρήσης έχει υπολογισθεί σε μερικές χιλιάδες δολάρια ανά βολή.[5]

Laser διοξειδίου του άνθρακα (CO2)

Ο συγκεκριμένος τύπος laser ανακαλύφθηκε από τον C. Patel, το 1964. Αποτελεί μοριακό laser, στο οποίο ενδιάμεσος φορέας και ενεργό μέσο είναι διεγερμένα μόρια του διοξειδίου του άνθρακα, τα οποία αποδιεγειρόμενα παράγουν ακτινοβολία λ = 10.6 μm ή 9.6 μm (infra-red). Για τη βελτίωση της απόδοσης προστίθεται επιπλέον ως ενδιάμεσος φορέας, αέριο άζωτο (Ν2) ή/και ήλιο (He). Η ηλεκτρική εκκένωση στο σωλήνα του laser επιταχύνει ηλεκτρόνια, των οποίων η κινητική ενέργεια μεταφέρεται μέσω συγκρούσεων στα μόρια του αζώτου και του διοξειδίου του άνθρακα, τα οποία μεταπίπτουν σε ταλαντώσεις.

Η εν λόγω διάταξη μπορεί να επιτύχει αυξημένη απολαβή (ενίσχυση) και υψηλή ισχύ εξόδου, έως 400 kW σε συνεχή (CW) και έως 10 TW σε παλμική λειτουργία. Γι’ αυτό, χρησιμοποιήθηκε από τα πρώτα laser στην έρευνα όπλων ισχύος και στη βιομηχανία για κοπή, διάτρηση, συγκόλληση και θερμική επεξεργασία μετάλλων.

Η κβαντική απόδοση του διοξειδίου του άνθρακα είναι υψηλή (40% για την ακτινοβολία 10.6 μm). Γι’ αυτό, τα laser αυτού του τύπου διαθέτουν από τους μεγαλύτερους βαθμούς απόδοσης (10-30%), ο οποίος βελτιώνεται περαιτέρω με την προσθήκη άλλων αερίων, όπως πχ N2 και He. Το διοξείδιο του άνθρακα παράγει την ακτινοβολία laser, ενώ το άζωτο βοηθά στη σημαντική αύξηση της απόδοσης (της διέγερσης του CO2), έτσι ώστε να εκπέμπει ακόμη περισσότερη ακτινοβολία. Το ήλιο βοηθά στη μεταφορά / απομάκρυνση της παραγόμενης θερμότητας (buffer gas), αφού διαθέτει ειδική θερμότητα 5 φορές μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του αζώτου. Oι αναλογίες των ενεργών αερίων δεν είναι τόσο κρίσιμες. Μια τυπική αναλογία του μίγματος των τριών αυτών αερίων είναι 10% CO2, 10% N2, 80% He, αλλά για τη βέλτιστη απόδοση πρακτικά εξαρτάται από το σύστημα / μηχανισμό διέγερσης και το είδος της λειτουργίας, παλμικής ή συνεχούς.

Οι βέλτιστες πιέσεις για κάθε αέριο, είναι 3 torr για το CO2, 5 torr για το N2 και 14 torr για το He (1 atm = 14.6956 psi = 101.325 kPa = 760 mm Hg = 760 torr).

Το μόριο του διοξειδίου του άνθρακα διαθέτει τρία άτομα σε γραμμική διάταξη. Στο σχήμα 3(α) απεικονίζονται οι τρεις δυνατοί ρυθμοί (τρόποι) μηχανικών ταλαντώσεων του μορίου αυτού.

Η απαιτούμενη αντιστροφή πληθυσμών (ενεργειακή άντληση) επιτυγχάνεται μέσω των συγκρούσεων των ηλεκτρονίων της ηλεκτρικής εκκένωσης, οι οποίες διεγείρουν είτε απευθείας τα μόρια διοξειδίου του άνθρακα είτε τον κβαντικό ρυθμό ταλάντωσης του αζώτου. Το διατομικό μόριο του αζώτου δεν μπορεί να απωλέσει την ενέργεια αυτή με εκπομπή φωτονίου, γεγονός το οποίο εξηγεί τη μεγάλη διάρκεια ζωής της κατάστασης αυτής. Η ενεργειακή κατάσταση διέγερσης του αζώτου συμπίπτει με την κατάσταση του αντισυμμετρικού ρυθμού του CO2, γεγονός που ενισχύει την άντληση στο εν λόγω ενεργειακό επίπεδο. Έτσι, οι συγκρούσεις μεταξύ των μορίων Ν2 και CO2 συνεισφέρουν σημαντικά στην αντιστροφή πληθυσμών.

Σχήμα 3(α):  Οι τρεις δυνατοί ρυθμοί (τρόποι) μηχανικών ταλαντώσεων του μορίου διοξειδίου του άνθρακα, με τις αντίστοιχες τιμές συχνοτήτων, ν1, ν2 και ν3.

H αποδιέγερση από το υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο του αντισυμμετρικού ρυθμού καταλήγει σε έναν από τους άλλους δύο κατώτερους ρυθμούς, ακτινοβολώντας στα 10.6 μm (συμμετρικός ρυθμός) ή στα 9.6 μm (εγκάρσιος ρυθμός). Στη συνέχεια, τα μόρια CO2 μεταβαίνουν στη βασική τους κατάσταση, μέσω συγκρούσεων με τα ψυχρά άτομα ηλίου. Τα θερμαινόμενα άτομα ηλίου ψύχονται, συγκρουόμενα με τα τοιχώματα του σωλήνα εκκένωσης ή μέσω ανανέωσης της ροής του μίγματος.

Μειονέκτημα των laser CO2 αποτελεί το γεγονός ότι για το παραγόμενο μήκος κύματος δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί το κοινό γυαλί για την κατασκευή φακών, αλλά απαιτούνται εξειδικευμένα υλικά όπως γερμάνιο, πυρίτιο, HgCdTe, σεληνιούχος ψευδάργυρος (zinc selenide – ZnSe), αρσενιούχο γάλλιο (GaAs) και τελλουριούχο κάδμιο (CdTe). Ωστόσο, το laser CO2 έχει χρησιμοποιηθεί σε μη θανάσιμης ισχύος όπλα (non-lethal weapons), καθόσον καταστρέφει (λιώνει), αλλά δεν διαπερνά το παρμπρίζ των αυτοκινήτων.

Σχήμα 3(β):  Σχηματικό διάγραμμα επιτρεπόμενων ενεργειακών καταστάσεων laser CO2 με ενδιάμεσο φορέα το άζωτο, για τους τρεις διαφορετικούς ρυθμούς μηχανικών ταλαντώσεων, αντισυμμετρικός (asymmetric), συμμετρικός (symmetric) και εγκάρσιος (bending). H αποδιέγερση από το υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο του αντισυμμετρικού ρυθμού καταλήγει σε έναν από τους άλλους δύο. Κάθε ενεργειακό επίπεδο ταλάντωσης υποδιαιρείται σε πολλά επίπεδα περιστροφικής / μηχανικής ταλάντωσης, οπότε οι μεταπηδήσεις είναι πολλαπλές.

Υπάρχουν πολλές διαφορετικές υλοποιήσεις διατάξεων laser CO2, οι οποίες διακρίνονται ως προς τη μέθοδο άντλησης (πχ εφαρμογή ηλεκτρικής τάσης dc ή παροχή άλλης εξωτερικής πηγής ενέργειας), αλλά και ως προς τη ροή του αερίου. Για παράδειγμα, στην αξονική ροή, το μίγμα αερίου αντλείται από τη μια και οδηγείται στην άλλη άκρη του σωλήνα. Το αέριο CO2 αντλείται συνεχώς, ώστε να διατηρείται σταθερή ροή, ενώ προστίθεται ήλιο και άζωτο στο μίγμα για να αυξηθεί η απόδοση. Η παραγωγή ισχύος είναι σχεδόν ανεξάρτητη της διαμέτρου του σωλήνα και κυμαίνεται περί τα 40-80 W/m μήκους σωλήνα. Σε διατάξεις εγκάρσιας ροής αερίου (κάθετης στην εφαρμοζόμενη υψηλή τάση), η ψύξη του μίγματος είναι αποτελεσματικότερη, ακόμη και με υψηλότερη πίεση των αερίων στο εσωτερικό του σωλήνα, οπότε το laser διοξειδίου του άνθρακα επιτυγχάνει παραγωγή ακόμη υψηλότερης ισχύος (της τάξης των 10 kW).

Σε μια κλασσική διάταξη laser διοξειδίου του άνθρακα σφραγισμένου σωλήνα, το αέριο διατηρείται μέσα στο σωλήνα κατά τη διάρκεια της χρήσης. Η μόνη βασική διαφορά είναι το μέγεθος του σωλήνα (κοιλότητα συντονισμού), ο οποίος μπορεί να έχει μήκος από μερικά εκατοστά μέχρι και πολλά μέτρα (ανάλογα με την επιθυμητή ισχύ εξόδου), μέσα στον οποίο βρίσκεται το μίγμα αερίων. Η επιτυγχανόμενη οπτική ισχύς των σφραγισμένων laser CO2 κυμαίνεται στα 30-100 W για χειρουργικές εφαρμογές, ενώ για βιομηχανικά laser κοπής μπορεί να φθάσει μερικά kW. Επειδή το σφραγισμένο laser χάνει γρήγορα την ισχύ του με την πάροδο του χρόνου, λόγω διάσπασης του CO2 σε CO και σε άλλα στοιχεία, απαιτείται η ύπαρξη καταλύτη ή/και ενός συστήματος ροής αερίων, για την ανανέωση του μίγματος CO2-N2-He, μέσω κάποιας φιάλης μίγματος. Για την επίτευξη υψηλής ισχύος εξόδου, τα τοιχώματα του σωλήνα laser ψύχονται εξωτερικά, πχ με νερό, διευκολύνοντας την αποδοτική λειτουργία της ηλεκτρικής εκκένωσης. Η απαραίτητη ηλεκτρική εκκένωση επιτυγχάνεται είτε με αρκετές χιλιάδες Volts συνεχούς τάσης και συνεχούς ρεύματος (πχ 0.5 Α), είτε μέσω διέγερσης ραδιοκυμάτων (RF), χρησιμοποιώντας έναν ταλαντωτή ραδιοσυχνότητας στην περιοχή 40-100 ΜΗz (λυχνιών κενού ή ημιαγωγών στοιχείων).

Σχήμα 4: Κατασκευή σφραγισμένης διάταξης laser CO2, (α) κλειστού σωλήνα ηλεκτρικής εκφόρτισης (DC), και (β) κυματοδηγού ηλεκτρικής εκφόρτισης DC ή RF.
Σχήμα 4(γ):   Laser CO2 αξονικής ροής. Η συνεχής κυκλοφορία του αερίου CO2 παρέχει τη δυνατότητα εκπομπής περισσότερης ισχύος. Για χαμηλή αξονική ροή αποδίδει ισχύ εξόδου 50-500 W (80 W/m). Για ταχεία αξονική ροή επιτυγχάνεται αποδοτικότερη απομάκρυνση θερμότητας και η αποδιδόμενη ισχύς εξόδου για τυπικά βιομηχανικά laser είναι πολύ μεγαλύτερη 500 W-5 kW (800 W/m).

Η διάταξη laser CO2 εγκάρσιας ροής, Transverse Excitation – Atmospheric pressure (TEA) LIDAR χρησιμοποιείται για την ανίχνευση διαφόρων βιολογικών και χημικών παραγόντων στην ατμόσφαιρα, σε απόσταση έως και μερικών km.

Σχήμα 4(δ): Η διάταξη laser CO2 εγκάρσιας ροής, Transverse Excitation – Atmospheric pressure (TEA). Διαθέτει αποδοτική διαδικασία άντλησης και ικανότητα αναγέννησης CO2.

Σε ένα laser ανάμειξης ηλεκτρικής εκκένωσης (electric discharge laser), το μοριακό άζωτο Ν2 διεγείρεται ταλαντευόμενο από μια ηλεκτρική εκκένωση και στη συνέχεια αναμιγνύεται με ψυχρό CO2 επιτυγχάνοντας αντιστροφή πληθυσμών και παράγοντας ακτινοβολία laser στα 10.6 μm σε μια αξονική ροή αερίων υψηλής πίεσης και ταχύτητας. Ο κύριος μηχανισμός απαγωγής θερμότητας είναι δια μεταφοράς, που επιτρέπει τη λειτουργία του συστήματος σε σημαντικά υψηλότερες πυκνότητες ισχύος από ό,τι στα συμβατικά laser ηλεκτρικής εκκένωσης.

Σε διατάξεις laser CO2 υψηλής ισχύος μπορεί να εφαρμόζεται καύση ενός καύσιμου υδρογονάνθρακα (κηροζίνης ή μεθανίου), σε περιβάλλον οξυγόνου ή νιτρικού οξέος. Τα θερμά αέρια εκτονώνονται ταχέως μέσω κάποιων ακροφυσίων διαστολής και ταυτόχρονα με την εφαρμογή ηλεκτρικής εκκένωσης επιτυγχάνεται αντιστροφή πληθυσμών (άντληση). Ακολούθως, τα διεγερμένα αέρια διέρχονται με υπερηχητική ταχύτητα, μέσω μιας οπτικής κοιλότητας συντονισμού, οπότε παράγεται ακτινοβολία laser.

Σχήμα 5: Διάταξη laser CO2 υψηλής ισχύος, αξονικής ροής, της κατηγορίας ανάμειξης ηλεκτρικής εκκένωσης (ομοιάζει με μηχανή αεριωθουμένου).

Χημικά laser

Είναι μοριακά laser, τα οποία για την αντιστροφή πληθυσμών (άντληση) χρησιμοποιούν την ενέργεια που παράγεται από εξώθερμες χημικές αντιδράσεις (μετατρέπουν τη ενέργεια των χημικών δεσμών σε φωτόνια laser). Χρησιμοποιούν εξειδικευμένα καύσιμα και συνήθως αποτελούν ογκώδεις διατάξεις, υψηλής ισχύος, που συνδυάζουν συστήματα διανομής χημικών ουσιών, ακροφύσια υπερηχητικής διαστολής, οπτική κοιλότητα συντονισμού και σύστημα εξαγωγής της παραγόμενης θερμότητας.

Η παραγόμενη οπτική ενέργεια/ταλάντωση μπορεί να παρατηρηθεί σε πολλές γραμμές εκπομπής, φθάνοντας συνολικά το επίπεδο της πραγματικής ισχύος εξόδου μερικών MW σε συνεχή λειτουργία (CW), στο μεσαίο παράθυρο του υπέρυθρου φάσματος (MWIR), στο οποίο η ατμόσφαιρα παρουσιάζει υψηλή διαπερατότητα.

Το πρώτο χημικό laser ήταν παλμικό (HCl) και κατασκευάστηκε το 1965 από τους J. V. V. Kasper και G. C. Pimental, ενώ το πρώτο χημικό laser συνεχούς λειτουργίας ακολούθησε το 1966 από τους Airy και McKay. Το 1973, η TRW κατασκεύασε το πρώτο παγκοσμίως υψηλής ενέργειας (HEL) χημικό laser. Στη συνέχεια, κατασκεύασε ακόμη έξι αντίστοιχα συστήματα HEL, συμπεριλαμβανομένων του ναυτικού MIRACL (1985) και του διαστημικού Alpha (2000), ισχύος μερικών megawatt.

Το χρησιμοποιούμενο ενεργό μέσο είναι κάποιο διατομικό αέριο μόριο και οι μεταπηδήσεις διεξάγονται μεταξύ ενεργειακών επιπέδων μηχανικών ρυθμών ταλάντωσης. Το πιο συνηθισμένο ενεργό μέσο είναι το υδροφθόριο (ΗF) ή το φθοριούχο δευτέριο (DF) και σπανιότερα το υδροχλώριο (HCl).

Σχήμα 6: Διάταξη χημικού laser HF/DF υψηλής ισχύος (ομοιάζει με μηχανή αεριωθουμένου). Βασίζεται στην εκτόνωση θερμού αερίου υπό πίεση. Ως πηγή υδρογόνου χρησιμοποιούνται υδρογονάνθρακες, ενώ ως πηγή φθορίου χρησιμοποιείται φθοριούχο θείο (SF6) ή φθοριούχο άζωτο (NF3).
Σχήμα 7(α):  Διάταξη εμπορικού χημικού laser ισχύος HF. Ως πηγή φθορίου χρησιμοποιείται φθοριούχο θείο (SF6), στο οποίο προστίθεται  οξυγόνο  για  να  αντιδράσει με το  θείο  και  να  δώσει διοξείδιο του θείου (SO2). Στο  μίγμα  προστίθεται  και  ήλιο.

Τα χημικά laser HF/DF βασίζονται στη χημική αντίδραση του ατομικού φθορίου με το μοριακό υδρογόνο ή δευτέριο, που οδηγεί σε διεγερμένα μόρια υδροφθορίου HF* (Hydrogen Fluoride) ή φθοριούχου δευτερίου DF* (Deuterium Fluoride):

F + Η2 ® HF* + H

F + D2 ® DF* + D

Τα παραγόμενα μήκη κύματος είναι 2.7 (2.6 – 3.0) μm για το HF και 3.8 (3.6 – 4.2) μm για το DF λόγω της αυξημένης μάζας του δευτέριου. To laser DF είναι το ισχυρότερο συνεχούς λειτουργίας που έχει κατασκευαστεί και υφίσταται τη μικρότερη απορρόφηση στην ατμόσφαιρα (MWIR), ως προς τα μικρότερα μήκη κύματος του HF. Ο βαθμός απόδοσης των διατάξεων HF/DF φθάνει έως και 10%. Σε συνεχή κατάσταση λειτουργίας μπορεί να παράγουν έξοδο έως και μερικά MW, ενώ σε παλμική δεκάδες MW.

Σχήμα 7(β):  Η αντίδραση του ατομικού φθορίου F με το μοριακό υδρογόνο Η2 παράγει διεγερμένα (ταλαντευόμενα) μόρια HF*. Η οριζόντια συντεταγμένη αντίδρασης αντιπροσωπεύει  τη διάσπαση του δεσμού H2 καθώς προσεγγίζει το άτομο φθορίου, με επακόλουθο το σχηματισμό του διεγερμένου δεσμού HF*. Η συγκεκριμένη αντίδραση παράγει περίσσεια ενέργειας 130 kJ/mole, η οποία μπορεί να εναποτεθεί στα πρώτα τέσσερα επίπεδα (ρυθμούς) ταλαντώσεων v=0, 1, 2 και 3, του νεοσχηματισμένου δεσμού HF*. Το φράγμα ενέργειας σε αυτήν την αντίδραση είναι μικρό (5 kJ/mole), οπότε ο ρυθμός παραγωγής HF* είναι αρκετά γρήγορος. Το κλειδί για την ανάπτυξη ενός laser που βασίζεται σε αυτή την αντίδραση είναι οι σχετικοί ρυθμοί παραγωγής των διαφόρων επιπέδων ταλαντώσεων του HF*. Αυτοί οι σχετικοί ρυθμοί έχουν μετρηθεί ως 12:20:6:1 για v=3:2:1:0. Έτσι, το 31% των παραγόμενων HF* θα βρεθεί στο επίπεδο ταλαντώσεων v=3, ενώ  το 51% στο v=2. Μόνο το 3% των αντιδράσεων αποδίδει τη χαμηλότερη κατάσταση ταλαντώσεων, v=0. Σαφώς, μια αντιστροφή πληθυσμών μεταξύ των επιπέδων ταλαντώσεων στο HF*, μπορεί να δημιουργηθεί από αυτή την άμεση χημική αντίδραση.

Το πρώτο του είδους DF, το MIRACL (Mid-Infra-Red Advanced Chemical Laser) ήταν συνεχούς λειτουργίας (CW), ισχύος εξόδου 2.2 MW (μεταβαλλόμενης ανάλογα με τη ροή του καυσίμου), διάρκειας λειτουργίας της τάξης του ενός λεπτού. Κατασκευάστηκε αρχικά για το αμερικανικό ναυτικό από την TRW (σήμερα Northrop Grumman), περί τα τέλη της δεκαετίας 1970 με αρχές της δεκαετίας 1980, με σκοπό την καταστροφή υποηχητικών και υπερηχητικών βλημάτων cruise. Το MIRACL έμοιαζε με κινητήρα πυραύλου, του οποίου το καύσιμο ήταν το αιθυλένιο (C2H4) με οξειδωτικό τριφθοριούχο άζωτο (ΝF3). Ένα από τα προϊόντα της καύσης ήταν ελεύθερα διεγερμένα άτομα φθορίου. Στην έξοδο του θαλάμου καύσης γινόταν έγχυση δευτερίου και ηλίου. Το δευτέριο συνδυαζόμενο με το διεγερμένο φθόριο έδινε διεγερμένα μόρια DF, ενώ το ήλιο σταθεροποιούσε την αντίδραση και ήλεγχε τη θερμοκρασία. Τη διαρκώς ψυχόμενη κοιλότητα συντονισμού αποτελούσαν κάτοπτρα που περιέβαλλαν το διεγερμένο αέριο, απ’ όπου εξαγόταν η οπτική ενέργεια που μοιραζόταν σε 10 γραμμές μεταξύ των 3.6 και 4.2 μm. Μετά από κάθε βολή, διεξάγονταν διαγνωστικοί έλεγχοι αξιολόγησης του σχήματος της δέσμης, της απόλυτης ισχύος και του προφίλ έντασης. Το πρόγραμμα MIRACL, παρά τα εντυπωσιακά του αποτελέσματα, τελικά δεν υιοθετήθηκε από το αμερικανικό ναυτικό (τερματίστηκε το 1983), τόσο λόγω της αστάθειας / πτητικότητας του καυσίμου (αιθυλένιο) όσο και λόγω των επιβλαβών για τον άνθρωπο προϊόντων καύσης (φθόριο). Επιπρόσθετα μειονεκτήματα ήταν ότι το δευτέριο είναι υψηλού κόστους, το φθόριο αντιδρά πολύ εύκολα με άλλα μόρια και το υδρογόνο απαιτεί εξαιρετική προσοχή για να μην εκραγεί.

Σχήμα 8: Ο διαμέτρου 1.8 m κατευθυντήρας δέσμης laser (SEALITE) του πειραματικού συστήματος του αμερικανικού ναυτικού MIRACL (3.8 μm). Η επιτυγχανόμενη ποιότητα (ακρίβεια) της παραγόμενης δέσμης ήταν δύο φορές το φυσικό όριο της περίθλασης.

Ένα άλλο σημαντικό χημικό laser ισχύος που άρχισε να αναπτύσσει η USAF από το 1977, ήταν αυτό του οξυγόνου – ιωδίου COIL (Chemical Oxygen Iodine Laser). Το COIL ήταν συνεχούς ακτινοβολίας laser, το οποίο χρησιμοποιούσε ως ενεργό μέσο ατομικό ιώδιο, εκπέμποντας σε ένα και μοναδικό μήκος κύματος (1.315 μm). Η θεωρητικά μέγιστη αποδιδόμενη ισχύς μιας τέτοιας διάταξης φθάνει έως και 1 TW. Με την ανάμιξη υπεροξειδίου του υδρογόνου (οξυζενέ) (H2O2), υδροξειδίου του καλίου (καυστικής ποτάσας) (KOH) και αερίου χλωρίου (Cl) σε μια ροή αερίων πυραυλοκινητήρα παράγεται μια διεγερμένη μορφή οξυγόνου SDO (στοιχειώδη σωμάτια δέλτα οξυγόνου). Στη ροή του SDO εγχέεται αέριο ιώδιο, με αποτέλεσμα τη διέγερση του ιωδίου και τη δημιουργία ακτινοβολίας laser υψηλής ενέργειας.

Ειδικότερα, το COIL βασίζεται στην ακόλουθη χημική αντίδραση του διεγερμένου μοριακού οξυγόνου Ο2(1Δ) ή Ο* με το μοριακό ιώδιο, που οδηγεί σε διεγερμένα άτομα ιωδίου Ι(2P1/2) ή I*:

O2* + I2 ® O2 + 2I*

Σχήμα 9: Διάταξη λειτουργίας του laser οξυγόνου-ιωδίου COIL (Chemical Oxygen Iodine Laser). Τα περισσότερα χημικά laser βασίζονται στην ταχεία εκτόνωση θερμού αερίου υπό πίεση, μέσα σε σχεδόν κενό θάλαμο.

Ο συγκεκριμένος τύπος laser (COIL) χρησιμοποιήθηκε στο φιλόδοξο εναέριο / αερομεταφερόμενο αμυντικό σύστημα της USAF, για την εξουδετέρωση βαλλιστικών πυραύλων, γνωστό ως πρόγραμμα YAL-1A ALTB (Airborne Laser Testbed) ή ABL (Airborne Laser) των Northrop Grumman (πρώην TRW) και Lockheed Martin, το οποίο υποστηρίχθηκε από την MDA (Missile Defense Agency), με κύριο εργολάβο την Boeing.[6] Το COIL προτιμήθηκε λόγω του χαμηλότερου μήκους κύματος, το οποίο απορροφάται λιγότερο μέσα στην ατμόσφαιρα από το HF. Το ABL χρησιμοποιούσε ως πλατφόρμα μεταφοράς αριθμό κατάλληλα διαμορφωμένων (τροποποιημένων) αεροσκαφών 747-400F Jumbo Jet της Boeing και λειτουργούσε από ομάδα τεσσάρων χειριστών. Έξι αισθητήρες IR περιφερειακά του αεροσκάφους εκτελούσαν σάρωση του ορίζοντα για τυχόν απειλές. Οι χημικές ουσίες αντίδρασης κάθε αεροσκάφους έφθαναν για περίπου 20 βολές laser υψηλής ισχύος ανά αποστολή. Το πρωτεύον laser (COIL) της Northrop Grumman ήταν ισχύος εξόδου της τάξης των 1-2 MW (βαθμού απόδοσης 10-20%), με διάμετρο κατόπτρου Cassegrain 1.5 m. Το COIL περιλάμβανε ακόμη τρία βοηθητικά laser, της Lockheed Martin:

  • Σύστημα αποστασιομέτρησης του στόχου (kW laser CO2), τοποθετημένο σε ανεξάρτητο εξωτερικό ατρακτίδιο στη ράχη του αεροσκάφους.
  • Σύστημα παρακολούθησης/φωτισμού του στόχου TILL (Target Illuminator Laser), ένα Q-switched, 10 W laser στερεάς κατάστασης (Yb:YAG), αποτελούμενο από 4 μη σύμφωνα συστήματα με κοινό διάφραγμα (οπή εξόδου).
  • Σύστημα προσδιορισμού της απαιτούμενης ατμοσφαιρικής αντιστάθμισης BILL (Beacon Illuminator Laser), για την αποτελεσματικότερη εστίαση του COIL, ένα kW laser στερεάς κατάστασης (Nd:YAG), αποτελούμενο από δύο πολυπλεγμένης λειτουργίας διατάξεις laser με κοινό διάφραγμα (οπή εξόδου) και συχνότητα επανάληψης παλμών 5 kHz.
Σχήμα 10: Το laser οξυγόνου-ιωδίου COIL του αερομεταφερόμενου συστήματος YAL-1A ABL (Airborne Laser).

Σε  μεγάλες  αποστάσεις, η δέσμη COIL φθάνει στο στόχο παραμορφωμένη, εξασθενημένη και με μεγάλη γωνιακή απόκλιση, λόγω της επίδρασης της ατμόσφαιρας. Για την αντιμετώπιση του φαινομένου χρησιμοποιούνται προσαρμοζόμενες οπτικές διατάξεις (adaptive optics),οι οποίες παραμορφώνουν την εξερχόμενη δέσμη laser, με τρόπο ώστε το ίδιο το μέσο διάδοσης να διορθώνει την  αρχική παραμόρφωση  και η δέσμη να φθάνει στο στόχο με τα επιθυμητά χαρακτηριστικά. Απαραίτητη προϋπόθεση είναι η γνώση σε πραγματικό  χρόνο του μεγέθους της παραμόρφωσης της ακτινοβολίας κατά μήκος  της  διαδρομής στην ατμόσφαιρα. Αυτό, επιτυγχάνεται με τη βοήθεια του συστήματος BILL, που περιλαμβάνει ένα σύμφωνης ακτινοβολίας laser χαμηλότερης ισχύος του COIL (παρεμφερούς μήκους κύματος), καθώς επίσης και έναν αισθητήρα μετώπου κύματος (wave front sensor), που λαμβάνει τη σκεδαζόμενη ακτινοβολία από το στόχο. Η ποιότητα της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας συγκρίνεται με την εκπεμπόμενη έξοδο. Οι μεταξύ τους διαφορές οφείλονται κυρίως στα φαινόμενα ατμοσφαιρικών διαταραχών / τύρβης (atmospheric turbulence), οπότε οδηγείται ανάλογα ένα κάτοπτρο παραμόρφωσης. Το συγκεκριμένο κάτοπτρο αποτελείται από πολλά μικρά κομμάτια, τα οποία μετακινούνται κατάλληλα, ώστε να παραμορφώνουν ελεγχόμενα την κύρια έξοδο της δέσμης laser. 

Ο πιο συνηθισμένος αισθητήρας μετώπου κύματος λέγεται Hartmann-Shack. Αποτελείται  από  διάταξη μικροφακών  (lenslets) της ίδιας εστιακής απόστασης, καθένας από τους οποίους όμως εστιάζεται σε διαφορετικό στοιχείο ενός φωτοαισθητήρα, όπως πχ συστοιχία CCD, διάταξη CMOS ή τεσσάρων στοιχείων. Εάν το μέτωπο κύματος  είναι τελείως επίπεδο (χωρίς καθόλου παραμόρφωση), τότε ο κάθε φακός  εστιάζει  στο κέντρο κάθε στοιχείου του αισθητήρα. Σε περίπτωση που το μέτωπο κύματος είναι  παραμορφωμένο, τότε ο κάθε φακός εστιάζει σε διαφορετικό σημείο, αποτυπώνοντας  έτσι το  μέγεθος  της  παραμόρφωσης. Ουσιαστικά, οποιαδήποτε εκτροπή φάσης προσεγγίζεται από ένα σύνολο διακριτών κλίσεων. Λαμβάνοντας δείγματα του μετώπου κύματος από τη διάταξη των μικροφακών, όλες αυτές οι τοπικές κλίσεις μπορούν να μετρηθούν και να ανακατασκευαστεί ολόκληρο το μέτωπο κύματος.

Σχήμα 11:  Αρχή λειτουργίας αισθητήρα μετώπου κύματος Hartmann-Shack. Οι μικροφακοί (lenslet) της διάταξης μπορεί να έχουν διαστάσεις από 50 μm έως 1 mm.

Η δέσμη των δύο βοηθητικών laser (TILL & BILL) διοχετεύεται μέσα από την 30 cm οπή του κατόπτρου Cassegrain. Για τον περιορισμό της μεγάλης ατμοσφαιρικής απορρόφησης, το επιχειρησιακό ύψος πτήσης του ABL ήταν μεγαλύτερο από 40.000 ft (ταχύτητα πτήσης 970 km/h). Από το ύψος αυτό, καταρρίπτονται βαλλιστικά βλήματα (ICBM, IRBM) υγρών καυσίμων στη φάση της εκτόξευσης (boost phase), κατά την οποία ο υπέρυθρος εντοπισμός των βλημάτων θεωρείται ευκολότερος (μέσω 6 αισθητήρων IR). Η κατάρριψη επιδιώκεται ανοίγοντας ουσιαστικά τρύπα πάνω στο κύριο σώμα του πυραύλου, η οποία προκαλεί είτε αεροδυναμική αστάθεια είτε έκρηξη λόγω θέρμανσης της δεξαμενής καυσίμων μέσα σε χρόνο μερικών δευτερολέπτων έως και μερικών δεκάδων δευτερολέπτων.

Η επιδιωκόμενη δραστική εμβέλεια του συστήματος ABL ήταν της τάξης των 300-400 km. Οι πρακτικές δοκιμές έδειξαν αποτελεσματικότητα σε αποστάσεις 80-160 km, ενώ για την επίτευξη ασφαλούς απόστασης χρειάζονταν 20-30 φορές ισχυρότερο laser από αυτό που ήταν ήδη εγκατεστημένο στο αεροσκάφος. Τελικά, το πρόγραμμα ABL τερματίστηκε το 2012, λόγω σημαντικών καθυστερήσεων υλοποίησης οφειλόμενες σε τεχνικές[7] και οικονομικές δυσκολίες.

Σχήμα 12(α): Η ιδέα λειτουργίας του εναέριου / αερομεταφερόμενου αμυντικού συστήματος εξουδετέρωσης βαλλιστικών πυραύλων YAL-1A ABL (Airborne Laser).
Σχήμα 12(β): Τα καυσαέρια (plume) του επερχόμενου πυραύλου ανιχνεύονται από το σύστημα υπέρυθρης ανίχνευσης του ABL, σε αποστάσεις μερικών εκατοντάδων km.

Επίσης, από την Boeing αναπτύχθηκε ένα επιθετικό εναέριο σύστημα laser, το λεγόμενο ATL (Advanced Tactical Laser), για την USAF. Αυτό, αποτελεί μια μικρότερη έκδοση του ALTB (πρώην ABL), είναι δηλαδή ένα χημικό σύστημα COIL κλειστού κύκλου, χαμηλότερων δυνατοτήτων (1.315 μm, ισχύος 100 kW, δραστικής εμβέλειας 20 km, βάρους 5 έως 7 τόνων). Το σύστημα επρόκειτο να εγκατασταθεί σε αεροσκάφη NC-130H Hercules, V-22 Osprey και σε ελικόπτερα CH-47, με σκοπό την ανάληψη τακτικών αποστολών αεράμυνας, την εξουδετέρωση (όχι πλήρη καταστροφή) επίγειων στόχων, κυρίως σταθμών τηλεπικοινωνιών, κεραιών κέντρων διοίκησης-ελέγχου-επικοινωνιών, οχημάτων, δεξαμενών καυσίμων, κτλ, από τυπικό υψόμετρο μερικών km. Οι πρώτες επιτυχημένες δοκιμές εκτελέστηκαν το 2009, στο πεδίο βολής White Sands στο New Mexico, αλλά στη συνέχεια το πρόγραμμα τερματίστηκε.

Το νεότερο AGIL (All Gas-phase Iodine Laser) αποτελεί ένα πιο ελαφρύ και ευέλικτο από το COIL χημικό laser αερίου συνεχούς ακτινοβολίας, το οποίο βασίζεται στην ανάμιξη χλωριδίου του αζώτου και ιωδίου μέσα σε θάλαμο κενού, παράγοντας ακτινοβολία 1.315 μm που διαδίδεται με χαμηλότερες απώλειες μέσα στην ατμόσφαιρα από το laser HF. Σε πειραματική μορφή το AGIL διαθέτει ισχύ εξόδου μικρότερη του 1 watt, αλλά μπορεί να αναπτυχθεί στην τάξη των kW ή ακόμη και MW.

Γενικά, τα χημικά laser μπορούν να παράγουν πολύ υψηλή συνεχή ισχύ εξόδου και έχουν χρησιμοποιηθεί στη βιομηχανία κοπής μετάλλων και γεωτρήσεων. Η παραγόμενη θερμότητα απελευθερώνεται μέσω των εξαγωγών, όμως διαθέτουν πολύ μεγάλο βάρος και μέγεθος, υψηλή τοξικότητα των χημικών παραγώγων, ενώ ως όπλα υψηλής ισχύος διαθέτουν περιορισμένη ικανότητα βολών (αναλόγως των αποθεμάτων των χρησιμοποιούμενων χημικών ουσιών).

Δυναμικά laser αερίου GDL (Gas Dynamic Laser)

Είναι μεγάλα μοριακά laser CO2, τα οποία εφαρμόζουν ταχεία αδιαβατική διαστολή (εκτόνωση) θερμαινόμενων αερίων μαζών υψηλής πίεσης, (από κάποιο θάλαμο καύσης), που κινούνται με υπερηχητική ταχύτητα μέσω κάποιων ακροφυσίων προς ένα σχεδόν κενό χώρο. Η απότομη αυτή διαστολή, μειώνει (ψύχει) τη θερμοκρασία του αερίου. Επειδή η μετάβαση των μορίων στη βασική τους κατάσταση (αποδιέγερση) καθυστερεί περισσότερο από την ταχεία αυτή διαστολή, ως αποτέλεσμα έχουμε πολλά διεγερμένα μόρια σε χαμηλή θερμοκρασία (αντιστροφή πληθυσμών). Ειδικότερα, η τεχνική βασίζεται στις διαφορές της ταχύτητας χαλάρωσης (relaxation velocities) των καταστάσεων των μοριακών ταλαντώσεων. Το χρησιμοποιούμενο ενεργό μέσο (αέριο) παρουσιάζει τέτοιες ιδιότητες, ώστε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση ταλαντώσεων χαλαρώνει ταχύτερα από μια υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση, οπότε επιτυγχάνεται αντιστροφή πληθυσμών σε συγκεκριμένο χρόνο.

Σχεδόν όλα τα χημικά laser εφαρμόζουν τις ανωτέρω διαδικασίες των GDL, δηλαδή ταχεία εκτόνωση θερμού αερίου υπό πίεση σε σχεδόν κενό θάλαμο την για ψύξη του αερίου, με στόχο την αύξηση του βαθμού απόδοσης.

Σχήμα 14(α): Η αντιστροφή πληθυσμών στο δυναμικό laser αερίου (GDL) επιτυγχάνεται με την επιτάχυνση των μορίων του αερίου σε υπερηχητικές ταχύτητες, μέσω ακροφυσίων. Σε απόσταση από τα ακροφύσια, τα μόρια επιστρέφουν στη θερμική τους ισορροπία.

Η εκτόνωση του αερίου γίνεται κάθετα στον οπτικό άξονα του laser, οπότε με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να έχουμε πολλά ακροφύσια διαστολής ταυτόχρονα και να επιτυγχάνουμε υψηλή ισχύ εξόδου.

Το GDL ανακαλύφθηκε από τους Edward Gerry και Arthur Kantrowitz, στα ερευνητικά εργαστήρια Avco Everett, το 1966.

Το τυπικά χρησιμοποιούμενο μίγμα αερίων σε ένα GDL είναι 90% άζωτο ή ήλιο (ενδιάμεσος φορέας), 9% διοξείδιο του άνθρακα (ενεργό μέσο) και 1% υδρατμοί. Το μίγμα αυτό έρχεται σε θερμοδυναμική ισορροπία περί τους 1400Κ.

Σχήμα 14(β): Σχηματική διάταξη δυναμικών laser αερίου (GDL). Οι εν λόγω εγκαταστάσεις ομοιάζουν με μεγάλη μηχανή αεριωθουμένου, με θάλαμο καύσης και ακροφύσια υπερηχητικής διαστολής.

Τυπικά, η άντληση στις διατάξεις δυναμικού laser αερίου διεξάγεται μέσω καύσης ή μέσω αδιαβατικής εκτόνωσης κάποιου αερίου. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιοδήποτε θερμό, υπό πίεση αέριο, με την κατάλληλη δομή ταλαντώσεων. Στην ειδική περίπτωση του εκρηκτικά αντλούμενου δυναμικού laser αερίου (explosively pumped GDL), η άντληση διεξάγεται μέσω διαστολής των προϊόντων έκρηξης, πχ εξανιτροβενζόλιο (ΗΝΒ) ή/και οργανικό οξειδωτή τετρανιτρομεθάνιο (TNM), με σκόνη μετάλλου. Η συγκεκριμένη διάταξη μπορεί να παράγει πολύ υψηλής ισχύος παλμούς, κατάλληλους για όπλα laser.

Μειονεκτήματα όλων των laser GDL είναι το μεγάλο φυσικό μέγεθος και ο υψηλός ακουστικός θόρυβος λειτουργίας, όπως επίσης το μεγάλο μήκος κύματος ακτινοβολίας 10.6 μm, το οποίο παρουσιάζει υψηλή απόκλιση λόγω περίθλασης της δέσμης.

Laser ελεύθερων ηλεκτρονίων

Το laser ελεύθερων ηλεκτρονίων FEL (Free Electron Laser) αποτελεί ειδική κατηγορία υπό ανάπτυξη τύπου laser, με δυνατότητα συντονισμού σε πολλά διαφορετικά μήκη κύματος (από το ακρότατο UV πλησίον της “μαλακής” ακτινοβολίας Χ έως και τα χιλιοστομετρικά κύματα). Μπορεί να είναι είτε παλμικό (παλμοί πολύ βραχείας διάρκειας και υψηλού ρυθμού επανάληψης) είτε συνεχούς λειτουργίας (CW). Η διεξαγόμενη έρευνα για τα laser αυτού του τύπου αφορά στην περαιτέρω αύξηση της ισχύος και του βαθμού απόδοσης, με παράλληλη μείωση του κόστους και του φυσικού τους μεγέθους.

Η λειτουργία των FEL βασίζεται σε μια δέσμη σχετιστικών ηλεκτρονίων, δηλαδή ηλεκτρονίων ταχύτητας πολύ κοντά σε αυτήν του φωτός, τα οποία είναι αυτά που αποτελούν το ενεργό μέσο laser. Η δέσμη ηλεκτρονίων κινείται στο κενό και παράγεται από ένα ηλεκτρονικό πυροβόλο, η οποία στη συνέχεια επιταχύνεται από ένα γραμμικό επιταχυντή σωματιδίων, οδηγούμενη μέσα από ένα σύστημα εναλλασσόμενων μαγνητικών πόλων για την παραγωγή εξαναγκασμένης κυματοειδούς κίνησης των ηλεκτρονίων. Κάτω από τις συνθήκες αυτές (αλλαγές κατεύθυνσης των ταχέως κινούμενων ηλεκτρονίων από το εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο), τα ηλεκτρόνια αποδίδουν μέρος της ενεργείας τους σε μορφή δέσμης φωτονίων που διαδίδεται προς την ίδια αξονική κατεύθυνση. Τα φωτόνια συλλαμβάνονται μέσα σε μια οπτική κοιλότητα συντονισμού (μεταξύ δύο κατόπτρων), επιτυγχάνοντας ενίσχυση της δέσμης και επακόλουθη εκπομπή τους ως σύμφωνη ακτινοβολία laser, με ποιοτικά χαρακτηριστικά. Το επιθυμητό μήκος κύματος του FEL επιλέγεται ρυθμίζοντας είτε την ενέργεια των επιταχυνόμενων ηλεκτρονίων (ταχύτητα) είτε το βαθμό της κυματοειδούς κίνησης αυτών (θέσεις μαγνητών).

Η επιπρόσθετη χρήση laser CO2 μήκους κύματος 10.6 μm (seed laser) εξαναγκάζει την παραγωγή μιας διαμήκους συνεκτικής ακτινοβολίας laser εξόδου δεύτερης αρμονικής (5.3 μm).

Οι πιο πιθανές εφαρμογές του laser ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι σε οπλικά συστήματα ισχύος και σε διατάξεις κατασκευής/επεξεργασίας υλικών. Το USN έχει χρηματοδοτήσει τη Boeing για την ανάπτυξη πειραματικού προγράμματος FEL, αρχικά ισχύος 10 kW (στις υπέρυθρες περιοχές του φάσματος που διαδίδονται αποτελεσματικότερα στην ατμόσφαιρα), το οποίο σε επόμενο στάδιο έχει στόχο να φθάσει τα 100 kW ή περισσότερο (με παρόμοιο πρόγραμμα έχει χρηματοδοτήσει και τη Raytheon), για ενδεχόμενη εγκατάσταση σε εξελιγμένες εκδόσεις του αντιτορπιλικού DD(X) 2 (all-electric propulsion). Ο σκοπός είναι η χαμηλού κόστους αποτελεσματική άμυνα σημείου, από απειλές επιφανείας και αέρος (μικρά σκάφη, αντιβληματική προστασία, κτλ). Πειραματικά συστήματα ξηράς, ήδη παράγουν 20 kW με στόχο να φθάσουν τα 7 ΜW ισχύος εξόδου. Το FEL διαθέτει πολύ μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης από τα συνήθη laser στερεάς κατάστασης (φθάνει έως και 65%), ενώ δεν χρησιμοποιεί τοξικές ουσίες για το προσωπικό, οι οποίες συνοδεύουν τα χημικά laser. Επίσης, μπορεί να λειτουργήσει σε μήκη κύματος που είναι περισσότερο κατάλληλα για διάδοση στο θαλάσσιο ατμοσφαιρικό περιβάλλον, συγκριτικά με τους διάφορους τύπους χημικών laser.

Σχήμα 15(α): Σχηματικό διάγραμμα laser ελεύθερων ηλεκτρονίων (FEL). Ένα μικρό laser, πχ διοξειδίου του άνθρακα, διεγείρει κάποιο υπεραγώγιμο υλικό, παράγοντας ηλεκτρόνια (injector). Ο επιταχυντής (accelerator) επιταχύνει την παραγόμενη δέσμη ηλεκτρονίων σε υψηλές ταχύτητες πλησίον του φωτός, λίγο πριν αυτή εισέλθει σε ένα σύστημα εναλλασσόμενων μαγνητών για την παραγωγή κυματοειδούς κίνησης των ηλεκτρονίων (wiggler). Όταν τα ηλεκτρόνια αλλάζουν κατεύθυνση εκπέμπουν φωτόνια, τα οποία στη συνέχεια μετά από μερικές ανακλάσεις μεταξύ των δύο κατόπτρων της οπτικής κοιλότητας συντονισμού σχηματίζουν μια ενισχυμένη δέσμη laser.
Σχήμα 15(β): Τα μελλοντικά αντιτορπιλικά του USN θεωρείται ότι διαθέτουν τον απαιτούμενο χώρο και ισχύ τροφοδοσίας των πανίσχυρων διατάξεων FEL.

Laser ισχύος στερεάς κατάστασης

Τα laser στερεάς κατάστασης διαθέτουν ως ενεργό μέσο (active / lasing medium), τα ιόντα κάποιου μετάλλου (χρώμιο, νεοδύμιο, έρβιο, όλμιο, τιτάνιο, θούλιο, κοβάλτιο), τα οποία βρίσκονται μέσα σε ένα φορέα, διαφανή για την παραγόμενη ακτινοβολία (μονωτικό / διηλεκτρικό), όπως πχ κρυσταλλικό υλικό (σάπφειρος ή ρουμπίνι, αλεξανδρίτης, γρανάτες), ακόμη και γυαλί. Το ενεργό μέσο καθορίζει το εκπεμπόμενο μήκος κύματος, ενώ το υλικό του φορέα καθορίζει τις φυσικές ιδιότητες της θερμοχωρητικότητας, της διαστολής και επομένως της μέγιστης δυνατής εκπεμπόμενης ισχύος της συγκεκριμένης διάταξης laser.

Τα άτομα σε στερεά κατάσταση βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους και αλληλοεπιδρούν με σημαντικά μεγαλύτερο εύρος γραμμών στα φάσματα εκπομπής και απορρόφησης, ως προς τα αέρια. Τα laser στερεάς κατάστασης μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε παλμική οπτική, χρησιμοποιώντας οπτική άντληση, πχ μέσω κάποιας συστοιχίας ημιαγωγών LED (GaAlAs diode laser). Το μήκος κύματος των ημιαγωγών διόδων μπορεί να προσαρμοστεί, ώστε να ταιριάζει στο φάσμα απορρόφησης του χρησιμοποιούμενου ενεργού μέσου. Ο συνολικός βαθμός απόδοσης της οπτικής άντλησης με χρήση ημιαγωγών διόδων μπορεί να επιτύχει απόδοση 40-50% με μικρότερο βάρος και κόστος, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής (100.000 ώρες λειτουργίας), αλλά όμως σχετικά περιορισμένη ισχύ εξόδου.

Οι αμερικανικές ένοπλες δυνάμεις έχουν κατά καιρούς χρηματοδοτήσει πολλά διαφορετικά προγράμματα, για την αντικατάσταση των χημικών συστημάτων THEL, με αντίστοιχα συμπαγή laser στερεάς κατάστασης στο εγγύς υπέρυθρο φάσμα (~1 μm). Αν και τα συγκεκριμένα laser δεν φθάνουν την οπτική ισχύ εξόδου των χημικών laser, τα τελευταία είναι εξαιρετικά ογκώδη, μπορούν να λειτουργούν για μικρά χρονικά διαστήματα και πρέπει να τροφοδοτούνται με τεράστιες ποσότητες χημικών καυσίμων. Κατά το παρελθόν, τα laser στερεάς κατάστασης για την οπτική τους άντληση χρησιμοποιούσαν λυχνίες εκλάμψεων, παράγοντας παλμούς υψηλής ισχύος μερικών kW ή δεκάδων kW, ακόμη και περισσότερο, με ικανοποιητική ποιότητα δέσμης. Όμως, με την εισαγωγή των ημιαγωγών διόδων οπτικής άντλησης (diode pumped solid state lasers), ο βαθμός απόδοσης βελτιώθηκε σημαντικά, όπως και η μέση αποδιδόμενη ισχύς εξόδου. Οι συγκεκριμένες διατάξεις τροφοδοτούνται με ηλεκτρικό ρεύμα και είναι πολύ μικρότερες, ελαφρύτερες και ασφαλείς για τον άνθρωπο και το περιβάλλον. Ωστόσο, εξακολουθούν να απαιτούν συστήματα αποτελεσματικής θερμικής διαχείρισης.

Σχήμα 16(α): Γενικό διάγραμμα laser στερεάς κατάστασης, οπτικής άντλησης μέσω ημιαγωγών διόδων (diode-pumped).

Σχήμα 16: Τυπικές διατάξεις laser στερεάς κατάστασης, οι οποίες μετατρέπουν την οπτική ακτινοβολία άντλησης (μπλε φως ημιαγωγών διόδων laser) σε κόκκινο φως κύριας ακτινοβολία; laser: (β) διαμήκους άντλησης, και (γ) πλευρικής άντλησης.

Τα συνήθη laser στερεάς κατάστασης μπορεί να είναι είτε συνεχούς ψύξης (continuous cooling) είτε θερμικής χωρητικότητας (thermal capacity). Στη δεύτερη περίπτωση, οι λειτουργίες εκπομπής laser και ψύξης διαχωρίζονται χρονικά μεταξύ τους, εφαρμόζοντας, πχ τυπική περίοδο επανάληψης παλμών 5 msec, με κύκλο εργασίας (duty cycle) 10%. Η οπτική άντληση των διόδων εφαρμόζεται για περίπου 10 sec, κατά τη διάρκεια της οποίας η αποβαλλόμενη θερμότητα στην πλάκα του ενεργού μέσου αυξάνει τη θερμοκρασία. Μετά από την εκπομπή της ακτινοβολίας laser εφαρμόζεται επιθετική ψύξη για χρόνο από 30 sec έως και 5 min, για την απομάκρυνση της θερμότητας.

Ένα από τα πρώτα παραδείγματα ήταν το 10 kW σύστημα laser στερεάς κατάστασης ZEUSHLONS (HMMWV Laser Ordnance Neutralization System). Αυτό, αναπτύχθηκε από την Sparta και το NAVEODTECHDIV (Naval Explosive Ordnance Disposal Technology Division), για την εξουδετέρωση εκτεθειμένων εκρηκτικών μηχανισμών και ναρκών ξηράς από απόσταση, με δραστικό βεληνεκές 25 έως 300 m, σε οπτική επαφή και δυνατότητα 2000 βολών ημερησίως. Το σύστημα χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στο Αφγανιστάν, το 2003 και ακολούθως χρησιμοποιήθηκε και στο Ιράκ. Ειδικότερα, η καταστροφή του στόχου επιτυγχάνεται από laser Nd:YAG, οπτικής άντλησης ημιαγωγών διόδων, υπέρυθρης ακτινοβολίας (1.064 μm) και ισχύος 10 kW, τεχνολογίας θερμικής χωρητικότηταςSSHCL (Solid State Heat Capacity Laser). Για την υπόδειξη του στόχου χρησιμοποιείται κάποιο ανεξάρτητο laser Nd:YAG πράσινου χρώματος.

Σχήμα 18: Το μεταφερόμενο πειραματικό στρατιωτικό laser στερεάς κατάστασης SSHCL (Solid State Heat Capacity Laser) των εργαστηρίων Lawrence Livermore. Η διάταξη έχει αποδώσει 67 kW ισχύος για χρονικό διάστημα 10 sec, ενώ μπορούσε να λειτουργήσει με κύκλο εργασίας (duty cycle) 10%. Περιλαμβάνει συστοιχίες διόδων οπτικής άντλησης (βαθμού απόδοσης >70%), παρόμοιων με τις φωτοδιόδους (LED).

Επίσης, ένα ανάλογο laser στερεάς κατάστασης θερμικής χωρητικότητας (SSHCL) αναπτύχθηκε στο εργαστήριο Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια, για εγκατάσταση σε ρυμουλκούμενα οχήματα μήκους περί τα 9 m, για την καταστροφή ρουκετών και βλημάτων σε πτήση στο πεδίο της μάχης. Η επιδιωκόμενη μέση ισχύς του εν λόγω SSHCL ήταν το επίπεδο των 100 kW. Παρόλα αυτά, η ισχύς του παρέμεινε πολύ μικρότερη από την ισχύ των laser που έχουν αναπτυχθεί για στρατιωτική χρήση. Το SSHCL εφαρμόζει οπτική άντληση μέσω συστοιχιών διόδων, παρόμοιων με τις φωτοδιόδους (LED), για την παραγωγή υπέρυθρης δέσμης λ = 1 μm.

Οι αρχικές εκδόσεις του SSHCL δεν ήταν συνεχούς (CW), αλλά παλμικής λειτουργίας. Αριθμός από πλάκες ενεργού μέσου νεοδυμίου-γυαλιού (τετράγωνα πλευράς 10 cm και πάχους 2 cm) ήταν στερεωμένες πάνω σε 4 μηχανικά περιστρεφόμενους τροχούς. Επί 10 δευτερόλεπτα, οι συστοιχίες διόδων άντλησης εκπέμπουν 200 παλμούς (20 παλμοί/sec) προς τις πλάκες, τις οποίες διεγείρουν και θερμαίνουν. Οι πιο ψυχρές πλάκες περιστρέφονται παίρνοντας τη θέση των θερμότερων, σε έναν επαλαμβανόμενο κύκλο λειτουργίας. Η παραγόμενη δέσμη laser έχει διάμετρο 2.5 cm και μπορεί να τρυπήσει χαλύβδινη πλάκα πάχους 2.8 cm μέσα σε 7 sec, όταν η ισχύς είναι μόλις 25 kW. Όμως, η συγκεκριμένη διάταξη SSCHL δεν έφθασε ποτέ την επιδιωκόμενη ισχύ των 100 kW, με την οποία εκτιμάται ότι θα μπορούσε να καταστρέψει ρουκέτες μέσα σε ελάχιστα δευτερόλεπτα από απόσταση μερικών χιλιομέτρων (ανάλογα με την ατμοσφαιρική υγρασία, νέφωση, μεταβολές της πυκνότητας του αέρα και τη φύση του στόχου). Οι ερευνητές κατέβαλαν προσπάθειες όχι μόνο για την αύξηση της μέσης ισχύος αλλά και για τη διατήρηση της εστίασης της δέσμης κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες (απόκλιση <40 mrad). Η αντικατάσταση του ενδιάμεσου υλικού με γρανάτη γαδολινίου-γαλλίου GGG (Gd3Ga5O12), όπου ιόντα Nd3+ αντικαθιστούν ιόντα Gd3+ σε ποσοστό 0.3-1.5%, ενδεχομένως να βελτίωνε την ισχύ εξόδου. Η θερμική αγωγιμότητα του GGG είναι η μισή του YAG (0.07 W cm-1 K-1), αλλά η θερμική του διάχυση είναι δεκαπλάσια του γυαλιού και η μηχανική τάση θραύσης είναι πενταπλάσια του γυαλιού. Επίσης, είναι δυνατή η κατασκευή πολύ μεγαλύτερου μεγέθους πλακών GGG, συγκριτικά με το YAG.

Ένα άλλο παράδειγμα, από το 2005, ήταν το πρόγραμμα αυτοκινούμενου συστήματος αεράμυνας TALON (Tactical Laser Operational Needs) των Northrop Grumman και United Defense, για προστασία από βλήματα και ρουκέτες πυροβολικού, που αφορούσε σε τεχνολογία laser στερεάς κατάστασης (Nd:YAG), ισχύος εξόδου 100 kW, εμβέλειας 2 km.

Σχήμα 19: Οι τρεις βασικές διαμορφώσεις (διατάξεις) που έχουν χρησιμοποιηθεί σε laser ισχύος στερεάς κατάστασης, με οπτική άντληση ημιαγωγού διόδου (diode pumped), κάτω από το ερευνητικό πρόγραμμα JHPSSL: (α) θερμικής χωρητικότητας SSHCL των Lawrence Livermore Labs, (β) διαμήκους άντλησης διαφανούς κεραμικής ή γυάλινης πλάκας (end pumped slab laser) της Northrop Grumman και (γ)  ThinZag slab laser της Textron.

H Northrop Grumman ανέπτυξε το 2007-2011 ένα στρατιωτικό laser ισχύος στερεάς κατάστασης JHPSSL (Joint High Power Solid-State Laser), για λογαριασμό της USAF και δευτερευόντως των λοιπών κλάδων των αμερικανικών ενόπλων δυνάμεων, με επιδιωκόμενο βαθμό απόδοσης 19% (στο επίπεδο των παλιότερων χημικών laser ABL & ATL). Το JHPSSL χρησιμοποιεί ημιαγωγούς διόδους laser (diode pumped), που διοχετεύουν την παραγόμενη ακτινοβολία σε υδρόψυκτες λεπτές πλάκες ενεργού μέσου (solid state slabs), με προσμίξεις ατόμων νεοδυμίου, με σκοπό να τα διεγείρουν (οπτική άντληση). Αυτά, αποδιεγειρόμενα παράγουν υψηλής ισχύος ακτινοβολία laser. Η δέσμη laser ενισχύεται διερχόμενη από περισσότερο διεγερμένο ενεργό μέσο, χωρίς τη χρήση κατόπτρων. Ειδικότερα, χρησιμοποιούνται 32 modules ενίσχυσης Nd:YAG συνδυαζόμενα μεταξύ τους (laser amplifier chains), ώστε να παράγουν οπτική έξοδο 15 kW, με βαθμό απόδοσης περίπου 19.3% και ποιότητα παραγόμενης δέσμης 1.3 φορές το όριο περίθλασης. Η ισχύς των πειραματικών πρωτοτύπων αυξήθηκε σταδιακά με τελικό στόχο την κατασκευή όπλου >100 kW, σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, στο υπέρυθρο μήκος κύματος 1.06 μm (Nd:YAG). Η πιο πρακτική, συμπαγής έκδοση της διάταξης JHPSSL που κατασκευάστηκε από τη Northrop Grumman ονομάστηκε Firestrike, σε διαμόρφωση block modules ενίσχυσης των 15 kW (το πρωτότυπο, ισχύος 13.3 kW ποιότητας δέσμης 1.4, είχε την ονομασία Gamma). Η συνδυασμένη χρήση πολλαπλών δεσμών συστοιχίας laser στερεάς κατάστασης, τυπικά 7 δέσμες από block των 15 kW έκαστο (Vesta diode pumped lasers), επιτυγχάνουν συνολική έξοδο 105 kW, συνεχούς λειτουργίας, υπό την αίρεση της επίτευξης ποιοτικής δέσμης (ταιριασμένης συνδυασμένης φάσης). Η διάταξη σχεδιάστηκε για την καταστροφή βλημάτων πυροβολικού και ρουκετών, όπως οι τύπου Katyusha που χρησιμοποιούν οι Ταλιμπάν και η Hezbollah, ενώ εκμεταλλεύεται το σύστημα ελέγχου δέσμης του παλαιότερου συστήματος THEL της Northrop Grumman.

Από το 2011-2014, το φιλόδοξο πρόγραμμα HELLADS (High Energy Liquid Laser Area Defense System) των DARPA / General Atomics / Lockheed Martin αποσκοπεί σε ένα συμπαγές εναέριο laser, εμβέλειας τακτικού επιπέδου, ισχύος 150 kW, μικρού όγκου 3 m3 και βάρους της τάξης των 4-5 kg/kW, ώστε να μπορεί να εγκατασταθεί σε βομβαρδιστικά (Β-1Β Lancer) και μαχητικά αεροσκάφη και σε μεγάλα UAV, όπως το MQ-20 Avenger (πρώην Predator C). Το σύστημα DLWS (Demonstrator Laser Weapon System) που προέκυψε, διέθετε περίπου το 40% του βάρους του Firestrike (του συμπαγούς JHPSSL) της Northrop Grumman. Αυτό, χρησιμοποιούσε πλάκες ενεργού μέσου (laser στερεάς κατάστασης με κανάλια ψύξης), διεγειρόμενου με ηλεκτρική ενέργεια, εμβαπτισμένου μέσα σε ψυκτικό υγρό προσαρμοσμένου δείκτη διάθλασης (για υψηλή παραγόμενη ισχύ, μειωμένες απώλειες ισχύος και για την απαραίτητη θερμική διαχείριση). Η χρήση του προορίζεται για την κατάρριψη πυραύλων και βλημάτων πυροβολικού CRAM (CounterRocket, Artillery & Mortar).

Παράλληλα με το HELLADS χρηματοδοτήθηκε και η ανάπτυξη ενός εναλλακτικού προγράμματος, που αφορούσε στο κεραμικό Nd:YAG laser στερεάς κατάστασης ThinZag των DARPA / Textron. Για την αύξηση της παραγόμενης ισχύος laser, η συγκεκριμένη διάταξη δεν συνδυάζει μεταξύ τους πολλές διαφορετικές δέσμες, αλλά χρησιμοποιεί ένα μεγάλο οπτικό ταλαντωτή με περισσότερο ενεργό μέσο. Ειδικότερα, μια και μοναδική δέσμη laser διατρέχει σειρά από 6 modules υδρόψυκτων πλακών ενεργού μέσου, ακολουθώντας διαδρομή ζιγκ-ζαγκ.

Σχήμα 20: Η τεχνολογία ThinZag της Textron αποτελεί μια επιλογή υλοποίησης laser στερεάς κατάστασης υψηλής ισχύος (άνω των 100 kW), για στρατιωτικές εφαρμογές. Αντί για κρυσταλλικά χρησιμοποιεί θερμομηχανικά ανθεκτικότερα κεραμικά υλικά. Για την παραγωγή υψηλότερης ισχύος μπορούν να χρησιμοποιηθούν περισσότερα modules, το καθένα από τα οποία περιλαμβάνει λεπτές κεραμικές πλάκες (thin slabs), όπως οι απεικονιζόμενες.

Το πρόγραμμα RELI (Robust Electric Laser Initiative) ακολούθησε τα JHPSSL και  HELLADS, για την κατασκευή συστημάτων με υψηλή ισχύ εξόδου (60 kW), βελτιωμένο βαθμό απόδοσης (>30%) και ακόμη μικρότερο όγκο/βάρος (>150  W/kg  και > 80  kW/ m3), για χρήση σε όλων των ειδών τις κινούμενες / ιπτάμενες πλατφόρμες, ακόμη και από μη επανδρωμένα αεροχήματα MQ-20 Avenger (πρώην Predator C) της General Atomics. Στο πλαίσιο αυτό, η Northrop Grumman ανέπτυξε μια διάταξη τεχνολογίας οπτικών ινών, βελτιώνοντας το βαθμό απόδοσης στο 30% και διατηρώντας την ποιότητα της δέσμης, σε επίπεδα ισχύος 25 kW, 50 kW και 100 kW. Επίσης, η Lockheed Martin ανέπτυξε το δικό της αντίστοιχο laser 60 kW, HEL MD (Mobile Demonstrator) και με βάση αυτό, το συνεχούς λειτουργίας ισχύος 30 kW πειραματικό σύστημα laser συνδυασμένων οπτικών ινών ATHENA (Advanced Test High Energy Asset), για την αντιμετώπιση εναέριων απειλών, όπως πχ drones, ρουκετών, κτλ (2015-2017). Το ATHENA χρησιμοποιεί ένα παρόμοιο σύστημα προσαρμοζόμενης οπτικής με το παλαιότερο ABL(Airborne Laser), σε συνδυασμό με το σύστημα laser οπτικών ινών ALADIN (Accelerated Laser Demonstration Initiative) της Lockheed. Το ALADIN συνδυάζει την έξοδο πολλών laser ινών, το καθένα με ελαφρά διαφορετικό μήκος κύματος, σε μια ενιαία δέσμη 30 kW.

Ως συνέχεια του HELLADS, η General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) και η Boeing συνεργάζονται για την ανάπτυξη οπλικού συστήματος υψηλής ενέργειας (100 kW έως 300 kW), το οποίο ανταγωνίζεται ευθέως τα αντίστοιχα laser ισχύος οπτικών ινών. Αυτό, ενσωματώνει επεκτάσιμη τεχνολογία laser κατανεμημένου κέρδους (distributed gain laser heads),[8] υψηλής ισχύος και πυκνότητας ενέργειας μπαταριών HELLi-ion (3 MJoules), ολοκληρωμένη θερμική διαχείριση, σε συνδυασμό με λογισμικό κατεύθυνσης δέσμης και πρόσκτησης, παρακολούθησης και στόχευσης ακριβείας (παρόμοιο με των παλαιών εναέριων χημικών laser ABL). Η τεχνολογία laser κατανεμημένου κέρδους μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ταλαντωτής ή ως ενισχυτής. Το υλικό μέσο κέρδους βρίσκεται σε θάλαμο σχηματισμένου όγκου και περιλαμβάνει στοιχεία στερεάς κατάστασης που περιέχουν ενεργά ιόντα laser κατανεμημένα εντός του όγκου. Ένα ψυκτικό υγρό με δείκτη διάθλασης ίδιο με του ενεργού μέσου laser, ρέει ομαλά (χωρίς στροβιλισμούς), γύρω από τα στοιχεία στερεάς κατάστασης. Μια δίοδος laser ημιαγωγών παρέχει την απαραίτητη οπτική άντληση της ακτινοβολίας, έτσι ώστε η εκπομπή laser από τη συσκευή να διέρχεται μέσω του υλικού μέσου κέρδους και του ψυκτικού υγρού. Η συγκεκριμένη υλοποίηση παρέχει τα πλεονεκτήματα των laser κέρδους στερεάς κατάστασης (άντληση διόδων, υψηλή πυκνότητα ισχύος, κτλ), αλλά επιτρέπει τη λειτουργία σε υψηλότερη μέση ισχύ και ποιότητα δέσμης, απ’ ότι θα μπορούσε να επιτευχθεί από ένα γνήσιο μέσο στερεάς κατάστασης.

Σχήμα 21: Απεικόνιση του πρωτοτύπου συστήματος στερεάς κατάστασης HELWS (High Energy Weapon Laser System) των GA-EMS και Boeing, υψηλής ισχύος εξόδου έως και 300 kW, για την αεράμυνα από βλήματα. Αποτελεί 7ης γενιάς τεχνολογία laser κατανεμημένου κέρδους (distributed gain laser) της GA-EMS, που περιλαμβάνει δύο κεφαλές σε πολύ συμπαγή και ελαφρά συσκευασία, σε συνδυασμό με το σύστημα κατεύθυνσης, ελέγχου και παρακολούθησης δέσμης της Boeing. Η επιτυγχανόμενη ποιότητα της δέσμης είναι παρόμοια με των laser οπτικών ινών, χωρίς να απαιτείται συνδυασμός επιμέρους δεσμών.

Ένα μικρότερο, χαμηλότερου κόστους σύστημα laser στερεάς κατάστασης HELWS (High Energy Weapon Laser System) της Raytheon, οπτικής ισχύος εξόδου από 10 kW έως 100 kW έχει ήδη δοκιμαστεί επιτυχώς σε οχήματα ξηράς, πλοία και ελικόπτερα στο πεδίο των επιχειρήσεων. Συνδυάζεται με το Multi-Spectral Targeting System, της ίδιας εταιρείας.

Σχήμα 22: Το σύστημα laser στερεάς κατάστασης HELWS (High Energy Weapon Laser System) της Raytheon, εγκατεστημένο σε όχημα Polaris MRZR.

Σχήμα 23: Το πρόγραμμα HEL ΤD (High Energy Laser Technology Demonstrator) της Boeing (2011-2012) αφορούσε σε 10 kW laser στερεάς κατάστασης, εγκατεστημένου επί φορτηγού HEMTT (Heavy Expanded Mobility Tactical Truck).

Ένα άλλο πρωτότυπο πρόγραμμα από το 2008-2014, ήταν το HEL MD (High Energy Laser Mobile Demonstrator) της Boeing, ένα laser στερεάς κατάστασης οπτικών ινών, ισχύος 10 kW στο υπέρυθρο ~1 μm, για την αντιμετώπιση βλημάτων, ρουκετών πυροβολικού και UAV (σε απόσταση μερικών km), εγκατεστημένου επί φορτηγού HEMTT (Heavy Expanded Mobility Tactical Truck). Παρόμοιο είναι επίσης και το αυτοκινούμενο laser στερεάς κατάστασης HELMTT (High Energy Laser Mobile Test Truck),[9] ισχύος εξόδου 10 kW, το οποίο προορίζεται για την καταστροφή UAVs/drones και μικρών επίγειων στόχων. Η ερευνητική προσπάθεια των προγραμμάτων αυτών στόχευε στη σταδιακή αύξηση της ισχύος, στα 50 kW και στα 100 kW.

Σήμερα, δύο ενεργά προγράμματα αυτοκινούμενων συστημάτων laser που χρηματοδοτούνται από τον αμερικανικό στρατό για χρήση σε τακτικό επίπεδο, είναι:

  • Το πρόγραμμα HEL-TVD (High Energy Laser – Tactical Vehicle Demonstrator) των Dynetics (Leidos) και Lockheed Martin. Αφορά σε laser στερεάς κατάστασης, ισχύος τουλάχιστον 100 kW, το οποίο στο πλαίσιο του προγράμματος IFPC (Indirect Fire Protection Capability) – HEL, μπορεί να φθάσει έως και 300 kW. Το συγκεκριμένο παλμικό laser ισχύος φέρεται ικανό να εκπέμπει ισχύ κορυφής μερικών TW (~1012 W) μέσα σε χρονικό διάστημα μόλις μερικών femtosecond (10-15 sec), με ρυθμό επανάληψης παλμών PRR = 20 έως 50 Hz. Η μέση ισχύς εξόδου παλμικής λειτουργίας του συστήματος είναι 20 – 50 W. Τα συστήματα αυτά, εξουδετερώνουν στόχους μέσω αφαίρεσης υλικού, τύφλωσης αισθητήρων και τοπικής υπερφόρτωσης των ηλεκτρονικών του στόχου. Η διάδοση πολύ ισχυρών παλμών μέσα στην ατμόσφαιρα, δεν επηρεάζεται τόσο από την περίθλαση και τo φαινόμενο των ατμοσφαιρικών διαταραχών / τύρβης (atmospheric turbulence), στο βαθμό όπως επηρεάζονται οι αντίστοιχες δέσμες CW. Αρχικά, η Lockheed Martin αναπτύσσει ένα οπλικό σύστημα laser ισχύος 50 kW για εγκατάσταση σε τεθωρακισμένα οχήματα Stryker, που ονομάζεται DEIMOS (Directed Energy Interceptor for Maneuver of Short Range Air Defense). Η εταιρεία εφαρμόζει ψηφιακή δίδυμη τεχνολογία, δηλαδή κατασκευάζει το ψηφιακό δίδυμο του  DEIMOS, που λειτουργεί ως ακριβές εικονικό αντίγραφο του πραγματικού συστήματος, επιτρέποντας την ταχύτερη ανάπτυξη και δοκιμές τροποποιήσεων / βελτιώσεων. Η Lockheed Martin εκμεταλλεύεται την εμπειρία της και επαναχρησιμοποιεί την τεχνολογία από προγράμματα, όπως του αερομεταφερόμενου όπλου laser της USAF (LANCE – Laser Advancements for Next-generation Compact Environments) και του προγράμματος laser 300 kW IFPC – HEL του αμερικανικού στρατού.
  • Το πρόγραμμα DE MSHORAD (Directed EnergyManeuver ShortRange Air Defense) των Raytheon & Kord, που αφορά σε ένα αντίστοιχο laser μικρότερης όμως ισχύος 50 kW, για εγκατάσταση σε τεθωρακισμένα οχήματα Stryker. Η Raytheon αναπτύσσει το laser, ενώ η Kord είναι ο ολοκληρωτής των συστημάτων και επίσης αναπτύσσει το σύστημα διαχείρισης ενέργειας και ψύξης.

Laser οπτικών ινών

Τα τελευταία χρόνια έχει καταβληθεί μεγάλη προσπάθεια στην ανάπτυξη laser ισχύος οπτικών ινών, στο υπέρυθρο φάσμα.[10] Αυτά, θεωρούνται ότι ανήκουν στην ευρύτερη κατηγορία των laser στερεάς κατάστασης και χρησιμοποιούν σπείρες οπτικών ινών πολύ μεγάλου μήκους (~km), για την επίτευξη υψηλού οπτικού κέρδους. Οι πυρήνες των ινών αυτών διαθέτουν κατάλληλες προσμίξεις ατόμων (ενεργό μέσο laser), ενώ περιβάλλονται από στρώματα χαμηλότερου δείκτη διάθλασης για την παγίδευση των ακτίνων κατά μήκος της ίνας. Οι χρησιμοποιούμενες προσμίξεις είναι τρισθενή ιόντα σπανίων γαιών (λανθανίδες): υττερβίου Yb3+, ερβίου Er3+, νεοδυμίου Nd3+, θουλίου Tm3+, δυσπροσίου Dy3+, πρασεοδυμίου Pr3+ και ολμίου Ho3+. Η λειτουργία τους σχετίζεται με τους οπτικούς ενισχυτές EDFA (ErbiumDoped Fiber Amplifiers). Μη γραμμικά φαινόμενα των ινών, όπως πχ εξαναγκασμένη σκέδασή Raman[11] και μίξη τεσσάρων κυμάτων FWM (FourWave Mixing)[12] προσθέτουν επίσης κέρδος.

Πολλές οπτικές ίνες ισχύος είναι διπλής επένδυσης. Σε αυτές, το ενεργό μέσο laser βρίσκεται στον πυρήνα της ίνας, ο οποίος περιβάλλεται από δύο στρώματα επένδυσης. Η μονότροπη ακτινοβολία laser διαδίδεται στον πυρήνα της ίνας, ενώ  η πολύτροπη ακτινοβολία άντλησης διαδίδεται στο στρώμα της εσωτερικής επένδυσης. Η εξωτερική, προστατευτική επένδυση περιορίζει την ακτινοβολία άντλησης. Η εσωτερική επένδυση είναι κατασκευασμένη από καθαρό χαλαζία και έχει διάμετρο αρκετών εκατοντάδων μm, ενώ η εξωτερική επένδυση είναι κατασκευασμένη από πολυμερές υλικό, του οποίου ο δείκτης διάθλασης επιλέγεται να είναι σημαντικά χαμηλότερος από αυτόν του χαλαζία. Έτσι, οι δύο επενδύσεις δημιουργούν πολυτροπικό κυματοδηγό μεγάλης διατομής και με αριθμητικό άνοιγμα ευρείας υποδοχής της ακτινοβολίας άντλησης. Η αποτελεσματική διέγερση ιόντων σπάνιας γης επιτυγχάνεται με την κατάλληλη επιλογή των διαμέτρων του ενεργού πυρήνα και του κυματοδηγού ακτινοβολίας άντλησης. Μέχρι το 2001, η συγκεκριμένη τεχνολογία μπορούσε να επιτύχει ισχύς εξόδου περίπου 100 W.

Γενικά, οι πυρήνες των οπτικών ινών έχουν μικρή διάμετρο, αφού η ποιότητα της δέσμης μειώνεται με την αύξηση της διαμέτρου (η παραγόμενη ισχύς απλώνεται σε περισσότερα μήκη κύματος). Έτσι, τα laser οπτικών ινών δεν μπορούν να συνδυάσουν εύκολα, την υψηλή παραγόμενη οπτική ισχύ με την υψηλή ποιότητα δέσμης, ιδιαίτερα όσο πλησιάζουν την οπτική ισχύ των 100 kW, η οποία αποτελεί έναν άτυπο στόχο για τα όπλα HEL. Τα κυριότερα προβλήματα έχουν σχέση με τη θερμική εστίαση και την αντίσταση των υλικών, την εμφάνιση μη γραμμικών φαινομένων (σκέδαση Raman, σκέδαση Brillouin[13]), την αστάθεια των ρυθμών διάδοσης, κτλ.

Για την επίλυση των ανωτέρω προβλημάτων εφαρμόζονται διάφορες εξειδικευμένες τεχνικές, όπως πχ η μείωση των απαιτήσεων λαμπρότητας των διόδων άντλησης, μέσω ελέγχου της διάδοσης μεταξύ εσωτερικής επένδυσης και πυρήνα.

Έτσι, κάποιες νεότερες ίνες διπλής επένδυσης TDCF (Tapered-Double Clad Fibers) διαθέτουν σταδιακά αυξανόμενη διατομή, καθ’ όλο το μήκος τους, συνδυάζοντας τα χαρακτηριστικά των συμβατικών μονότροπων ινών 8–10 µm με των μεγαλύτερης διαμέτρου πολύτροπων (50–100 µm). Ως αποτέλεσμα βελτιώνεται η διατήρηση της πιστότητας των διερχόμενων παλμών, επιτυγχάνοντας υψηλή ισχύ και αποφεύγοντας ανεπιθύμητα φαινόμενα θερμικής εστίασης.

Ακόμη, έχουν αναπτυχθεί ειδικές οπτικές ίνες LMA (Large Mode Area), μεγαλύτερης ενεργής διαμέτρου πυρήνων (20-30 μm), που βελτιώνουν τη θερμική διαχείριση. Οι λεγόμενες ραβδόμορφες ίνες (microstructured rodtype) έχουν πολύ μεγαλύτερη ενεργή διάμετρο πυρήνα, έως και 65 μm, για ακόμη υψηλότερη ισχύ (παλμοί 260 fs του 1 kW). Επίσης, οι ίνες LPF (Large Pitch Fibers) επιτυγχάνουν παλμική (femtosecond) οπτική ενέργεια εξόδου 2.2 mJ. Ωστόσο, το μειονέκτημα των συστημάτων LPF είναι το σχετικά μεγάλο τους μήκος (έως και 1.2 m), η ακαμψία των συγκεκριμένων ινών και η πολυπλοκότητα της κατασκευής τους.

Οι τελευταίες εξελίξεις έχουν δώσει τη δυνατότητα απότομης αύξησης της παραγόμενης ισχύος των laser στερεάς κατάστασης που αντλούνται οπτικά από ημιαγωγούς διόδους. Ειδικότερα, με την εισαγωγή των οπτικών ινών LMA (Large Mode Area)και των υψηλής ισχύος ημιαγωγών διόδων, κατέστη δυνατή η παραγωγή οπτικής εξόδου από ίνες με τρισθενείς προσμίξεις υττερβίου Yb3+ μονότροπης ακτινοβολίας CW, άνω των 20 kW (>30 kW με συνδυασμένη έξοδο πολλών οπτικών ινών).

Το χρησιμοποιούμενο αντηχείο / κοιλότητα συντονισμού (Fabry–Pérot)[14] των διατάξεων οπτικών ινών laser ισχύος κατασκευάζεται μονολιθικά, δηλαδή μέσω σύνδεσης διαφορετικών τύπων ινών, όπου ανακλαστήρες πλεγμάτων Bragg (FBGFiber Bragg Gratings) αντικαθιστούν τα συμβατικά διηλεκτρικά κάτοπτρα των παλαιότερων υλοποιήσεων, για την παροχή της απαραίτητης οπτικής ανάδρασης. Τα πλέγματα FBG αποτελούν τμήματα του οπτικού κυματοδηγού (οπτικής ίνας), κάθετα στο διαμήκη άξονα, στα οποία δημιουργείται μια δομή με κατάλληλα διαμορφωμένο δείκτη διάθλασης, ώστε να επιδρά στο επιθυμητό μήκος κύματος σε πολύ στενό φασματικό εύρος. Οι υψηλές αναπτυσσόμενες θερμοκρασίες είναι επικίνδυνες για τα πλέγματα FBG, εντός των ινών. Τις περισσότερες φορές, οι κρίσιμες θερμοκρασίες κυμαίνονται περί τους 300-600 °C.

Από το 2011-2013, το αμερικανικό ναυτικό διεξάγει δοκιμές με σχετικά ελαφρά, συμπαγή συστήματα HEL οπτικών ινών, εγκατεστημένα σε πολεμικά πλοία, με ισχύ εκπομπής έως και μερικές δεκάδες ή εκατοντάδες kW. Σε αυτά, ενσωματώνονται τα βοηθητικά συστήματα του παλαιού πειραματικού χημικού συστήματος MIRACL.

Σχήμα 26(α): Αρχή λειτουργίας laser στερεάς κατάστασης οπτικών ινών, δύο επενδύσεων. Η εισερχόμενη από αριστερά ενέργεια άντλησης απορροφάται από τις προσμίξεις τρισθενών ιόντων σπανίων γαιών μέσα στον πυρήνα της ίνας (ενεργό μέσο) και μετατρέπεται σε εξερχόμενη ακτινοβολία laser (δεξιά), με βαθμό απόδοσης περί το 35%. Η συγκεκριμένη σχεδίαση διπλής επένδυσης, ευρείας γωνίας υποδοχής (αριστερά), καθώς και η περιέλιξη της ίνας βοηθούν την καταπίεση των ρυθμών υψηλής τάξης και τη διατήρηση ενός μόνο ρυθμού (μονότροπη δέσμη laser).

Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά laser στερεάς κατάστασης SSL (Solid Stale Lasers), τα οποία χρησιμοποιούν σχετικά μεγάλες άκαμπτες ράβδους, πλάκες ή δίσκους κρυστάλλων για να δημιουργήσουν τη δέσμη, τα laser οπτικών ινών χρησιμοποιούν λεπτές οπτικές ίνες που μπορούν να τυλιχτούν σε συμπαγή πηνία. Τα τελευταία, διαχειρίζονται ευκολότερα την παραγόμενη θερμότητα και έχουν απλούστερη κατασκευαστική δομή. Η εν λόγω τεχνολογία παρέχει τη δυνατότητα για συμπαγή, μικρότερου μεγέθους[15] και αξιόπιστα συστήματα (εύκολης άντλησης και θερμικής διαχείρισης), μεγάλης διάρκειας ζωής σε επιχειρησιακό περιβάλλον μεταβαλλόμενων θερμοκρασιών και μηχανικών κραδασμών, με χαμηλό κόστος λειτουργίας και συντήρησης. Επιτυγχάνουν βαθμό απόδοσης 30-35% σε συνεχή κατάσταση λειτουργίας (CW), πολλών kW οπτικής εξόδου (μέσω του συνδυασμού πολλών ινών), ενώ η μεγάλη εξωτερική επιφάνεια των ινών επιτρέπει την σχετικά ευκολότερη ψύξη τους. Η βελτιωμένη απόδοση οφείλεται μεταξύ των άλλων στην κατασκευαστική δομή των ινών, η οποία αυξάνει την ποσότητα της απορροφούμενης ακτινοβολίας άντλησης, ενώ δεν διαθέτουν πολλά διακριτά οπτικά εξαρτήματα που θα μπορούσαν να διολισθήσουν εκτός ευθυγράμμισης.

Όσον αφορά στο συνδυασμό της εξόδου πολλών οπτικών ινών, θεωρητικά αυτός θα πρέπει να είναι συνεκτικός, δηλαδή τα φωτόνια από κάθε laser να κινούνται μαζί, σε στενά συγχρονισμένο σχηματισμό. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται ευρέως σε εφαρμογές RF, όμως η συνοχή είναι πολύ πιο δύσκολο να επιτευχθεί στο ορατό και στο υπέρυθρο φως. Τα κύματα από κάθε laser θα πρέπει να έχουν σχεδόν τα ίδια μήκη κύματος, τα επίπεδα των ταλαντώσεων τους πρέπει να ευθυγραμμίζονται με ακρίβεια, ενώ τα μέγιστα και ελάχιστα κάθε κύματος πρέπει να συμπίπτουν (στην τάξη του μm). Όμως, τελικά στην πράξη, ο συνεκτικός συνδυασμός μπορεί να μην έχει μεγάλη σημασία, αφού η επίδραση της ατμόσφαιρας σε μεγάλες αποστάσεις διάδοσης καταστρέφει τη συνεκτικότητα.

Σχήμα 26(β): Laser οπτικής ίνας τριών στρωμάτων. Η εξωτερική επένδυση (cladding) της ίνας έχει το μικρότερο δείκτη διάθλασης. Ακολουθεί ο εξωτερικός πυρήνας της ίνας με ελαφρά υψηλότερο δείκτη διάθλασης. Η διαφορά των δεικτών διάθλασης περιορίζει την αντλούμενη ακτινοβολία, ώστε να ανακλάται εντός εξωτερικού πυρήνα, καθώς διαδίδεται κατά μήκος της ίνας. Κάθε φορά που διαπερνά τον εσωτερικό πυρήνα, ο οποίος διαθέτει ακόμη υψηλότερο δείκτη διάθλασης, προκαλεί διεγειρόμενη ακτινοβολία laser από τα άτομα υττερβίου.

Στην κατηγορία των laser ισχύος οπτικών ινών ανήκει και το ισραηλινό σύστημα αεράμυνας Iron Beam της Rafael, το οποίο μπορεί να καταστρέφει εναέριους στόχους (ρουκέτες, UAV, κτλ) σε αποστάσεις έως 7 km, εντός μόλις 4-5 sec από την επαφή μαζί τους.

Το 50 kW πρωτότυπο σύστημα laser ισχύος οπτικών ινών LADS (Laser Area Defence System) της Raytheon (2008) σχεδιάστηκε για την αντιβληματική προστασία, δηλαδή για την καταστροφή στον αέρα επερχόμενων κατευθυνόμενων βλημάτων και βολών πυροβολικού, που εντοπίζονται έγκαιρα με ραντάρ και αισθητήρες υπέρυθρων. Το σύστημα φιλοδοξεί να αντικαταστήσει το Mk-15 Phalanx της ίδιας εταιρίας, το οποίο για τον ίδιο σκοπό χρησιμοποιεί ριπές βλημάτων πυροβολικού. Το LADS διαθέτει πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια, εμβέλεια και ταχύτητα απόκρισης, δυνατότητα εμπλοκής με πολλούς στόχους και με χαμηλότερο κόστος λειτουργίας.

Η φιλόδοξη επιδίωξη της ανάπτυξης των ναυτικών συστημάτων HEL είναι κάποια στιγμή, η πλήρης αντικατάσταση των παραδοσιακών συστημάτων εγγύς αντιβληματικής προστασίας, CIWS (Close In Weapon Systems), RAM, κτλ, τα οποία ενδεχομένως δεν επαρκούν σε επιθέσεις κορεσμού ή και για την αντιμετώπιση hypersonic βλημάτων. Γενικά, το κόστος βολής laser υπολογίζεται κατά πολύ χαμηλότερο από το κόστος ενός τυπικού κατευθυνόμενου βλήματος αντιβληματικής προστασίας.

Σχήμα 27:  Το πρωτότυπο σύστημα laser ισχύος στερεάς κατάστασης LADS (Laser Area Defence System) της Raytheon, από το 2008. Σημαντικές προκλήσεις για την ανάπτυξή τέτοιων συστημάτων αποτελούν η απαίτηση πολύ ισχυρών laser στερεάς κατάστασης σε περιορισμένο φυσικό μέγεθος, ανθεκτικών στο θαλάσσιο περιβάλλον, οι δυσμενείς ατμοσφαιρικές συνθήκες διάδοσης, αλλά και οι δυσκολίες αντιμετώπισης των ελισσόμενων στην τερματική φάση μοντέρνων υπερηχητικών πυραύλων.
Σχήμα 28: Τον Ιούλιο του 2010, το USN κατέρριψε 4 UAV με το πειραματικό σύστημα laser στερεάς κατάστασης (οπτικών ινών) LAWS (Laser Area Weapon System) της Raytheon, ισχύος 32.4 kW, ενσωματωμένο πάνω σε σύστημα εγγύς προστασίας Mk 15 Phalanx CIWS (Close-In Weapon System) της ίδιας εταιρείας. Πέραν των UAV, το σύστημα σχεδιάστηκε για την αντιμετώπιση απειλών, όπως κατευθυνόμενων βλημάτων, ρουκετών, οβίδων, ναρκών που επιπλέουν, μικρών ταχυπλόων σκαφών, κτλ, Με βαθμό απόδοσης περί το 25%, το σύστημα χρειάζεται περί τα 120 kW ηλεκτρικής ισχύος για να λειτουργήσει, ενώ το δραστικό βεληνεκές είναι 1.6 km. Οι παραγόμενες έξι δέσμες του συστήματος δεν συνδυάζονται μεταξύ τους, αλλά συγκλίνουν στη θέση του στόχου, με σχετικά χαμηλή ποιότητα παραγόμενης δέσμης (1.7 φορές το όριο περίθλασης).
Σχήμα 29: Ένα σχετικό με το LAWS σύστημα, το Laser Centurion Demonstrator αναπτύχθηκε από τη Raytheon, ως πρόταση αντικατάστασης του 20 mm πυροβόλου του συστήματος εγγύς προστασίας Phalanx (2009).

Γενικά, τα πολεμικά πλοία διαθέτουν περιορισμένο αριθμό κατευθυνόμενων βλημάτων, διαφόρων τύπων. Η χρήση όπλων laser ισχύος, όπως για παράδειγμα το HELIOS (High Energy Laser with Integrated Optical-dazzler and Surveillance) των αντιτορπιλικώντου αμερικάνικου ναυτικού θεωρείται ότι θα μπορούσε να συμβάλλει στην κατάρριψη επερχόμενων υπο-ηχητικών βλημάτων, όπως πχ τα ρωσικά SS-N-27 “Sizzler” (Kalibr) ή τα Κινεζικά YJ-18 (παρόμοια με τα ρωσικά 3M-54 Klub, υποηχητικά στην ενδιάμεση καθοδήγηση και ενδεχομένως κάποια από αυτά υπερηχητικά στην τερματική φάση επίθεσης). Τα συγκεκριμένα όπλα laser στοχεύουν στη φυσική καταστροφή από υπερθέρμανση σε κάποιο σημείο της κεφαλής μάχης, του αισθητήρα ή των πηδαλίων του κατευθυνόμενου βλήματος. Επίσης, παρέχουν τη δυνατότητα οπτικής εκτύφλωσης (dazzling) για την εξουδετέρωση του στόχου.

Ένα παρόμοιο πειραματικό σύστημα laser στερεάς κατάστασης (Nd:YAG), υψηλής ισχύος, με την ονομασία LWSD (Technology Maturation Laser Weapon System Demonstrator) της Northrop Grumman δοκιμάζεται σε αμερικάνικα πλοία αμφιβίων επιχειρήσεων (LPD).

Σχήμα 30: Το AN/SEQ-3 Laser Weapon System ή XN-1 LaWS των Kratos και ONR (2011-2014) απετέλεσε ένα πρωτότυπο σύστημα αυτοάμυνας κατευθυνόμενης ενέργειας (DEW), που περιλάμβανε αριθμό βιομηχανικών laser συγκόλλησης (στερεάς κατάστασης – οπτικών ινών) ισχύος εξόδου 32.4 kW, στο υπέρυθρο φάσμα (IR), για χρήση εναντίον UAV και μικρών σκαφών επιφανείας. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί είτε για προειδοποίηση είτε για καταστροφή ηλεκτροοπτικών αισθητήρων.
Σχήμα 32: Από το 2020, τα αμερικανικά αντιτορπιλικά  άρχισαν να εξοπλίζονται με το ισχύος 60–150 kW σύστημα laser  HELIOS (High Energy Laser and Integrated Optical dazzler with Surveillance). Η χρήση συστημάτων laser ισχύος απαιτεί την απρόσκοπτη χρήση μεγάλης ποσότητας σταθερής ενΤο AN/SEQ-3 Laser Weapon System ή XN-1 LaWS απετέλεσε τη βάση για το ισχυρότερο 60 kW σύστημα HELIOS (High Energy Laser with Integrated Optical-dazzler and Surveillance), πρώην SNLWS (Surface Navy Laser Weapon System) ή SEASABER Increment 1, της Lockheed Martin (2017), το οποίο εγκαθίσταται στα αμερικανικά αντιτορπιλικά Arleigh Burke. Το σύστημα συνδυάζει μεταξύ τους 6 δέσμες laser υπέρυθρης ακτινοβολίας, ρυθμιζόμενης έντασης, με βαθμό απόδοσης περί το 40% και ηλεκτρική ισχύ τροφοδοσίας 150 kW.έργειας.
Σχήμα 32:  Από το 2020, τα αμερικανικά αντιτορπιλικά  άρχισαν να εξοπλίζονται με το ισχύος 60–150 kW σύστημα laser  HELIOS (High Energy Laser and Integrated Optical dazzler with Surveillance). Η χρήση συστημάτων laser ισχύος απαιτεί την απρόσκοπτη χρήση μεγάλης ποσότητας σταθερής ενέργειας.
Σχήμα 33: Το αντίστοιχο του HELIOS βρετανικό ναυτικό σύστημα laser ισχύος Dragonfire (50 kW), ολοκληρωμένο με το σύστημα εγγύς προστασίας Phalanx.

Σχήμα 34: Από το 2023-2025 προγραμματίζεται η εγκατάσταση σε αμερικανικά μαχητικά αεροσκάφη ενός συστήματος laser κατευθυνόμενης ισχύος >10 kW, είτε ενσωματωμένου στην περίπτωση του F-35 είτε σε  εξωτερικό ατρακτίδιο (pod), για την αυτοπροστασία (αυτοάμυνα) από κατευθυνόμενα βλήματα αέρος-αέρος ή εδάφους-αέρος. Το Tactical Airborne Laser pod της Lockheed Martin, προερχόμενο από το πρόγραμμα ShiELD (Self Protect High Energy Laser Demonstrator) αφορά στη δημιουργία πρωτότυπου συστήματος laser οπτικών ινών, της τάξης των 100 kW ή λιγότερο, που θα μεταφέρεται υπό τη μορφή ατρακτιδίου από τακτικά μαχητικά αεροσκάφη (F-15, F-16, κτλ) και θα αξιοποιείται κυρίως για την καταστροφή επερχόμενων πυραύλων. Μέχρι σήμερα, τα συστήματα laser που έχουν αναπτυχθεί από την Lockheed Martin, έχουν τη δυνατότητα καταστροφής μικρών ρουκετών, UAV, μικρών σκαφών επιφανείας και ελαφρών οχημάτων. Επίσης, η Lockheed Martin έχει παρουσιάσει ένα νέο εναέριο σύστημα ισχύος 60 kW, το AHEL (Airborne High Energy Laser), το οποίο φέρεται από το αεροσκάφος AC-130J Ghostrider Gunship.

Σχήμα 35: Η χρονολογική εξέλιξη της τεχνολογίας των στρατιωτικών laser ισχύος έχει στραφεί προς την αντιμετώπιση μικρότερου μεγέθους στόχων (από τους διηπειρωτικούς πυραύλους ICBM προς μικρότερες ρουκέτες, κατευθυνόμενα βλήματα, ταχύπλοα σκάφη και drones).

Laser πυρηνικής άντλησης

Το τελευταίας γενιάς, αυτοκινούμενο ρωσικό σύστημα laser αεράμυνας Peresvet αφορά στην εγγύς προστασία ευαίσθητων στόχων, όπως πχ ICBM sites, από διάφορες εναέριες απειλές (UAV, κατευθυνόμενα βλήματα, κτλ). Διαθέτει επίσης και δυνατότητα τύφλωσης τεχνητών δορυφόρων σε τροχιά. Το συγκεκριμένο σύστημα πιθανολογείται ότι χρησιμοποιεί laser πυρηνικής άντλησης, της τάξης του MW ή περισσότερο. Αυτό, συνδυάζει τις λειτουργίες ενός συστήματος laser και ενός πυρηνικού αντιδραστήρα (παλμικός αντιδραστήρας laser ή οπτικός κβαντικός ενισχυτής με πυρηνική άντληση). Ειδικότερα, περιλαμβάνει πυρηνικό αντιδραστήρα laser, στον οποίο η ενέργεια των θραυσμάτων σχάσης μετατρέπεται απευθείας σε ακτινοβολία laser. H οπτική ισχύς εξόδου του Peresvet μπορεί να εκτιμηθεί στην περιοχή 1-3 MW, με προοπτική να αυξηθεί στα 5-10 MW.

Σύμφωνα με μια υλοποίηση πυρηνικής άντλησης, το ενεργό μέσο (πχ He-Ar) περικλείεται σε ένα σωλήνα επενδυμένο με ουράνιο 235U και υποβάλλεται σε υψηλή ροή νετρονίων στον πυρήνα ενός πυρηνικού αντιδραστήρα. Τα θραύσματα σχάσης του ουρανίου δημιουργούν διεγερμένο πλάσμα με αντίστροφο πληθυσμό ενεργειακών επιπέδων, το οποίο στη συνέχεια αποδιεγειρόμενο εκπέμπει ακτινοβολία laser. Η πυρηνική άντληση μπορεί να επιτύχει υψηλούς ρυθμούς διέγερσης, σε μικρό όγκο διατάξεων laser.

Σχήμα 36: Το ρωσικό σύστημα laser ισχύος Peresvet είναι της τάξης των μερικών MW.

Πλεονεκτήματα – Μειονεκτήματα όπλων HEL

Μερικά από τα πλεονεκτήματα των οπλικών συστημάτων κατευθυνόμενης ενέργειας (DEW/HEL) σε στρατιωτικές εφαρμογές, σε σχέση με τα συμβατικά όπλα κινητικής ενέργειας ή με εκρηκτική γόμωση, και εφόσον οι καιρικές συνθήκες επιτρέπουν, είναι:

  • Ταχύτατη (στιγμιαία) αντίδραση εμπλοκής / εγκλωβισμού (με την ταχύτητα του φωτός).
  • Δυνατότητα αντιμετώπισης δραστικά μεταβαλλόμενων εναέριων στόχων.
  • Ρυθμιζόμενο αποτέλεσμα επί του στόχου, ανάλογα με την εκπεμπόμενη ισχύ και την αποστολή (φυσική καταστροφή, απλή εξουδετέρωση, τύφλωση, κτλ).
  • Απλοί υπολογισμοί εμπλοκής.
  • Εξαιρετική ακρίβεια στοχοποίησης / βολής, σε μεγάλες αποστάσεις, με περιορισμένες παράπλευρες απώλειες (δεν υπάρχει έκρηξη με κρουστικό κύμα και υψηλής ταχύτητας θραύσματα).
  • Πολύ χαμηλό κόστος ανά βολή (αντιστοιχεί πχ στο κόστος λειτουργίας της γεννήτριας που παρέχει το απαραίτητο ηλεκτρικό ρεύμα).
  • Μη απαίτηση αποθήκευσης αποθέματος πυρομαχικών (δεν  ισχύει για τα χημικά laser).
  • Λειτουργούν και ως αισθητήρες ανίχνευσης και παρακολούθησης στόχων, αλλά και ως παρεμβολείς ηλεκτροοπτικών αισθητήρων.

Ορισμένες από τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν τα συστήματα laser ισχύος (HEL) έχουν σχέση με την απαιτούμενη σκόπευση υψηλής ακριβείας και σταθερότητας για την καταστροφή / εξουδετέρωση του στόχου,[16] λαμβάνοντας υπόψη τις σοβαρές απώλειες διάδοσης στην ατμόσφαιρα, όπως απορρόφησης (absorption) και σκέδασης (scattering), αλλά και της επίδρασης της περίθλασης (diffraction) που είναι ανεξάρτητη των απωλειών της ατμόσφαιρας. Πέραν αυτών, παρατηρούνται επίσης φαινόμενα ατμοσφαιρικών διαταραχών / τύρβης (atmospheric turbulence) και διεύρυνσης / θερμικής αλλοίωσης (diverging / thermal blooming) της δέσμης laser, λόγω των μεταβολών του ατμοσφαιρικού δείκτη διάθλασης από διαταράξεις ή υπερθέρμανση του αέρα κατά μήκος της διαδρομής. Τα φαινόμενα αυτά είναι εντονότερα στα μικρότερα μήκη κύματος και κοντά στη θαλάσσια επιφάνεια, λόγω υψηλότερης υγρασίας. Η αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με τα μόρια της ατμόσφαιρας αποτελεί σημαντικό πρόβλημα, το οποίο επιδεινώνεται όταν υπάρχει ομίχλη, καπνός, σκόνη, βροχή, χιόνι, αιθαλομίχλη, αφρός (μπουρμπουλήθρες) ή διασκορπισμένες σκοτεινές χημικές ουσίες.

Μεταξύ των μειονεκτημάτων αποτελούν επίσης διάφορα λειτουργικά θέματα και δυνατότητες υποστήριξης, ανάλογα με την εφαρμοζόμενη τεχνολογία laser. Ειδικότερα για τα εναέρια συστήματα HEL υπάρχουν επιπρόσθετα προβλήματα βάρους και κόστους.

Όσον αφορά στους υποψήφιους στόχους των όπλων laser ισχύος, ως υψηλής τρωτότητας θεωρούνται οι διάφοροι εκρηκτικοί μηχανισμοί που ενεργοποιούνται εύκολα με τη θερμότητα, τα πηδάλια / πτερύγια ελέγχου πτήσης των εναέριων στόχων, οι οπτικοί αισθητήρες, κτλ. Όμως, τα όπλα αυτά δεν έχουν αποτελεσματικότητα εναντίον κτιρίων, γεφυρών και άλλων κατασκευών (αποτελούν σκληρούς στόχους ή υψηλής ανακλαστικότητας), η παραγόμενη δέσμη laser επηρεάζεται δυσμενώς από την ατμόσφαιρα (ιδιαίτερα στο θαλάσσιο περιβάλλον), ενώ αποτελούν εκ φύσεως όπλα οπτικής επαφής (line-of-sight). Επίσης, δεν είναι αποτελεσματικά εναντίον στόχων που περιβάλλονται από εξωτερικά μονωτικά στρώματα, υψηλού σημείου τήξης, μη εύφλεκτα και ανθεκτικά στη θέρμανση. Για την επιτυχή κατάρριψη ενός drone/UAV/UAS, αυτό θα πρέπει να ίπταται σε σχετικά χαμηλό ύψος και να φωτίζεται σταθερά με ακτινοβολία laser για τουλάχιστον 15 sec. Το τελευταίο, καθιστά δύσκολη την κατάρριψη επανδρωμένων μαχητικών αεροσκαφών ή ταχέως κινούμενων στόχων, ενώ η αποτελεσματικότητα των τυπικών συστημάτων ισχύος 30 kW, είναι περιορισμένη για στόχους σε μεγάλο ύψος ή σε περιβάλλον νεφοσκεπούς ουρανού. Η παρατηρούμενη τροποσφαιρική σκέδαση της ακτινοβολίας laser, είναι αυξημένη σε ύψος 8-9 km, λόγω των μικροσκοπικών σωματιδίων παγωμένης υγρασίας, γεγονός που μπορεί να απαιτεί το συνεχή φωτισμό ενός μεγάλου στόχου μεγέθους μαχητικού για διάστημα μεγαλύτερο του ενός λεπτού, προκειμένου να του επιφέρει κάποια ζημιά. Επίσης, η σκέδαση της ακτινοβολίας laser αυξάνει απότομα όταν διέρχεται από νέφη σε χαμηλό υψόμετρο.

Όλοι οι ανωτέρω παράγοντες μειώνουν την επιδιωκόμενη ακτινοβόληση (irradiance), δηλαδή την προσπίπτουσα ισχύ (ροή ενέργειας) ανά μονάδα επιφάνειας του στόχου (W/m2). Μερικά από τα προβλήματα αυτά, αντιμετωπίζονται με την κατάλληλη επιλογή του μήκους κύματος της χρησιμοποιούμενης ακτινοβολίας και την εφαρμογή ακριβέστερων τεχνικών ελέγχου της δέσμης. Πρακτικά, για να επέλθει αποτελεσματική θερμική εξουδετέρωση / καταστροφή ενός στόχου απαιτείται ακτινοβόληση της τάξης του 1 kW/cm2 (αντιστοιχεί σε ροή ενέργειας 1 – 10 kJ/cm2 για χρονικό διάστημα 1 έως 10 sec).

Μια ακόμη ιδιαίτερη πτυχή που σχετίζεται με τη χρήση των HEL, είναι αυτή της ασφάλειας. Με τάξεις μεγέθους ακτινοβολίας πάνω από τα όρια ασφαλείας, ο κίνδυνος αντανακλάσεων στην περιοχή του στόχου και η θεώρηση της άπειρης απόστασης διάδοσης της δέσμης προκαλούν μια κατανοητή δυσπιστία σχετικά με την ασφάλεια της χρήσης των όπλων αυτών.

Ως αποτέλεσμα των σημαντικών τους περιορισμών, τα όπλα ισχύος laser (HEL) λειτουργούν συμπληρωματικά ως προς τα συμβατικά όπλα κινητικής ενέργειας ή με εκρηκτική γόμωση.

Επίλογος

             Η ιστορία δείχνει διαρκείς κύκλους καινοτομίας, όσον αφορά στην εισαγωγή, εξέλιξη και πρακτική εφαρμογή νέων τεχνολογιών, καθώς επίσης στην ενσωμάτωση / υιοθέτηση νέων τακτικών, επιχειρησιακών και στρατηγικών ιδεών. Τα όπλα laser ισχύος (HEL) φαίνεται να παρέχουν σημαντική τακτική χρησιμότητα, ευελιξία και νέα στρατηγική αξία στις επιχειρήσεις, για όσους υιοθετούν τη νέα αυτή τεχνολογία. Οι δέσμες laser των όπλων αυτών, είναι εντελώς αθόρυβες και αόρατες στο γυμνό μάτι, ημέρα και νύκτα (βρίσκονται στο υπέρυθρο φάσμα). Όμως, παρά τα σημαντικά τους πλεονεκτήματα παρουσιάζουν και κάποια σοβαρά μειονεκτήματα, γεγονός που τελικά στην πράξη καθιστά τα συγκεκριμένα συστήματα, συμπληρωματικά των συμβατικών όπλων.

Πέραν αυτών, η σύμβαση που υπογράφηκε το 2009 από τις ΗΠΑ, για την απαγόρευση της χρήσης όπλων laser ισχύος εναντίον προσωπικού, αλλά και η περιορισμένη χρηματοδότηση σε σχέση με το παρελθόν, ενδεχομένως να έχουν ανασχέσει τη δυναμική της ανάπτυξης των συστημάτων αυτών.

Σήμερα, τα χαμηλού κόστους και ταχέως μεταφερόμενα συστήματα HEL, ισχύος μερικών δεκάδων kW, αποτελούν ήδη ευρέως διαθέσιμη τεχνολογία, είτε σε πολιτικές είτε σε στρατιωτικές εφαρμογές, ενώ αναπτύσσονται συνεχώς νεότερα, πιο αξιόπιστα και πιο βελτιωμένα, με κλιμακούμενα αυξανόμενη ισχύ εξόδου. Ταυτόχρονα, τα laser υψηλής ισχύος μπορούν να συνεργάζονται με τα υφιστάμενα συστήματα στοχοποίησης / παρακολούθησης, αυστηρών απαιτήσεων ακρίβειας. Τα περισσότερα διαθέσιμα στρατιωτικά laser ισχύος χρησιμοποιούνται κυρίως για την κατάρριψη drones (UAS) και ρουκετών ή βλημάτων πυροβολικού, όπως επίσης και για την εξουδετέρωση εκτεθειμένων εκρηκτικών μηχανισμών και ναρκών.


[1]  Ιστορικά, ως πρώιμη εφαρμογή όπλων κατευθυνόμενης ενέργειας φέρονται τα λεγόμενα κάτοπτρα του Αρχιμήδη, τα οποία εστίαζαν ηλιακό φως πάνω στα Ρωμαϊκά πλοία, κατά την πολιορκία των Συρακουσών το 214-212 π.Χ.

[2]  Ενδεχόμενες εφαρμογές των όπλων σωματιδίων υψηλής ταχύτητας, πλησίον της ταχύτητας του φωτός, μπορεί να είναι η εξουδετέρωση ναρκών, η αντιβληματική άμυνα πλοίων και η εξουδετέρωση τεχνητών δορυφόρων σε τροχιά στο διάστημα. Η ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων όπως, πχ τα CPB (Charged Particles Beams) και τα NPB (Neutral Particle Beams), δεν έχει ακόμη προχωρήσει σημαντικά ώστε να θεωρείται σύντομα εφικτή η κατασκευή επιχειρησιακών υλοποιήσεων για το πεδίο της μάχης.

[3]  Η πρωτοβουλία SDI (1983) προέκυψε μέσα από την αντίληψη της στρατηγικής σχεδίασης σε βάθος χρόνου και οδήγησε σε ανακατανομή των πόρων και σε ερευνητικά προγράμματα, μεταξύ των οποίων και του λεγόμενου Πόλεμου των Άστρων. Ο τελευταίος, αν και δεν έφθασε ποτέ σε κάποια τελική μορφή, συνεισέφερε όμως σημαντικά στην κατάρρευση της ΕΣΣΔ και στη λήξη του «Ψυχρού Πολέμου». Σήμερα, με τη νέα γεωπολιτική κατάσταση που έχει διαμορφωθεί και την ολοένα αυξανόμενη δυνατότητα απόκτησης ICBMs από πολλές χώρες, η νέα προσέγγιση γνωστή ως effects based approach επιδιώκει την επίτευξη συγκεκριμένων αποτελεσμάτων μεταβάλλοντας οτιδήποτε απαιτείται για το σκοπό αυτό (inputs & system). Στο πλαίσιο αυτό, εντάσσεται και η προσπάθεια των ΗΠΑ για την ανάπτυξη αξιόπιστων διαστημικών όπλων κατευθυνόμενης ενέργειας DEW (Directed Energy Weapons), η οποία ενώ προς το παρόν έχει ανασταλεί, μπορεί όμως να επανέλθει με νέα σχέδια που συμπεριλαμβάνουν τη χρήση του διαστήματος τόσο για αμυντικούς όσο και για επιθετικούς σκοπούς. Παραδείγματα αποτελούν η προσβολή επίγειων στόχων από δορυφόρους εξοπλισμένους με laser υψηλής ακρίβειας σκόπευσης SBL (Space Based Laser), η προσβολή άλλων δορυφόρων από δορυφόρους ή ακόμη και η προσβολή δορυφόρων σε τροχιά και εχθρικών πυραύλων από επίγεια laser ισχύος (η λεγόμενη διαστημική ασπίδα). Οι υποψήφιες τεχνολογίες laser για την υλοποίηση του SBL είναι τα COIL, MIRACL και AGIL.

[4]  Η σχετικά χαμηλή ισχύς και ο περιορισμένος βαθμός απόδοσης των laser στερεάς κατάστασης αποτελούσε τη βασική αιτία που αρχικά είχαν περιοριστεί κυρίως σε εφαρμογές αποστασιομέτρησης και κατάδειξης στόχων.

[5] Η πρώτη επιτυχής δοκιμαστική κατάρριψη κατευθυνόμενου βλήματος μικρού βεληνεκούς, από σύστημα THEL της Northrop Grumman (πρώην TRW) διεξήχθη στις 9 Φεβρουαρίου 1996 στο πεδίο πυραυλικών δοκιμών White Sands του Νέου Μεξικού, στο πλαίσιο ενός κοινού προγράμματος του Ισραηλινού και του Αμερικανικού στρατού. Από τον Ιούνιο του 2000 έως και το 2004 ακολούθησαν δοκιμές ενός περισσότερο επιχειρησιακού συστήματος με την ονομασία Mobile THEL (M-THEL). Το εν λόγω laser είναι  χημικό DF (φθοριούχου δευτερίου), mid-infrared 3.8 μm και ισχύος μερικών Mwatts. Ο Αμερικανικός στρατός ενδιαφέρεται για την εγγύς προστασία χερσαίων στρατευμάτων από επιθέσεις πυραύλων, βλημάτων όλμων, καθώς επίσης και για την αντιμετώπιση αντιαρματικών ρουκετών (Tow, Milan, κτλ). Επίσης, το Ισραήλ ενδιαφέρεται ιδιαίτερα για ικανά αντιαεροπορικά συστήματα, προκειμένου να αντιμετωπίζει επιτυχώς τις πυραυλικές απειλές μικρού και μεσαίου βεληνεκούς, όπως πχ τις επιθέσεις της οργάνωσης Hezbollah με πυραύλους Katyusha (εμβέλειας 12 έως 22 km) και πυραύλους Fajar-3 & 5 (εμβέλειας 45 και 75 km), αλλά ακόμη και των πιο απλών ρουκετών Qassam (εμβέλειας ~10 km) που εκτοξεύει εναντίον Ισραηλινών στόχων από τη λωρίδα της Γάζας η οργάνωση Hamas, από το 2001. Τελικά, λόγω της σχετικά μικρής δραστικής εμβέλειας του συστήματος (<20 km), το Ισραήλ υιοθέτησε συμβατικούς τρόπους αντιμετώπισης των πυραύλων, ενώ το 2005-2006 o Αμερικανικός στρατός ακύρωσε το πρόγραμμα THEL και στη θέση του ενεργοποίησε το διάδοχο πρόγραμμα TALON. Ωστόσο, η Northrop Grumman συνέχισε για κάποιο διάστημα να υποστηρίζει το μεταφερόμενο χημικό laser ισχύος Skyguard (μικρότερο παράγωγο του THEL), για την αντιαεροπορική προστασία αεροδρομίων και άλλων περιοχών.

[6] Το προηγούμενο αντίστοιχο αμερικάνικο πρόγραμμα, ήταν το ALL (Airborne Laser Lab), στο διάστημα 1975 – 1984. Αυτό, αφορούσε σε δυναμικό laser αερίου (GDL), ισχύος 400 kW, στα 10.6 μm (διοξειδίου του άνθρακα), μεταφερόμενο από τροποποιημένο αεροσκάφος NKC-135A. Στο συγκεκριμένο πρόγραμμα αεράμυνας βασίστηκε αργότερα ένα αντίστοιχο ρωσικό HEL DEW των Almaz-Antey. Η αποτελεσματικότητα των συστημάτων αυτών περιορίζεται σημαντικά από το μεγάλο μήκος κύματος ακτινοβολίας 10.6 μm, το οποίο παρουσιάζει υψηλή απόκλιση περίθλασης της δέσμης, όπως επίσης και από τη μεγάλη ανακλαστικότητα που παρουσιάζουν σε αυτό οι αλουμινένιες εξωτερικές επιφάνειες των πυραύλων. Το παλαιότερο Σοβιετικό και αργότερα Ρωσικό πειραματικό πρόγραμμα Sokol-Eshelon αφορά σε εναέριο σύστημα δυναμικού laser αερίου (GDL), διοξειδίου του άνθρακα, μεταφερόμενου από αεροσκάφος Beriev A-60 (με βάση το Ilyushin Il-76MD), με αποστολή την κατάρριψη τεχνητών δορυφόρων.

[7] Μερικά μόνον από τα βασικά τεχνικά προβλήματα είχαν σχέση με το μεγάλο βάρος του συστήματος, την προσαρμογή του laser σε ανθεκτικό σύστημα φακών που δεν τήκεται κατά τη διάρκεια της εκπομπής, κτλ.

[8] Michael D. Perry Paul S. Banks Jason Zweiback Robert W. Schleicher, Jr., “Laser containing a distributed gain medium” US Patent No.: US 6,937,629 B2, Aug. 30, 2005

[9]  To HELMTT απετέλεσε μέρος του προγράμματος HEL-TVD.

[10]  Τα laser οπτικών ινών ισχύος χρησιμοποιούνται επίσης στη βιομηχανία για κοπή ή συγκόλληση μετάλλων, σήμανση προϊόντων, κτλ

[11]  Το φαινόμενο Raman αποτελεί εξαναγκασμένη, ανελαστική σκέδαση του μονοχρωματικού φωτός, όταν αυτό διαδίδεται σε κάποιο διαφανές υλικό, όπου ορισμένα από τα μόρια του υλικού απορροφούν ή προσφέρουν ενέργεια στα προσπίπτοντα φωτόνια, με αποτέλεσμα μετά από τη σκέδασή τους, αυτά να εμφανίζονται αντίστοιχα με μικρότερη ή μεγαλύτερη συχνότητα.

[12]  Αποτελεί φαινόμενο ενδοδιαμόρφωσης, όπου τρία μήκη κύματος αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους παράγοντας ένα τέταρτο μήκος κύματος.

[13] Η σκέδαση Brillouin οφείλεται στα μηχανικά / ακουστικά κύματα που προκαλεί η προσπίπτουσα ακτινοβολία, μεταβάλλοντας το δείκτη διάθλασης κατά περιοχές του υλικού και κατ’ επέκταση την κατεύθυνση της ακτινοβολίας. Ο συγκεκριμένος τύπος σκέδασης παρατηρείται προς την αντίθετη κατεύθυνση από την προσπίπτουσα ακτινοβολία.

[14]  Οι οπτικοί συντονιστές δακτυλίων (optical ring resonators) χρησιμοποιούνται ως αντηχεία σε συστήματα laser οπτικών ινών χαμηλής ισχύος, πχ γυροσκοπίων και αυτόματων πιλότων, σε αεροσκάφη, UAV, πλοία, υποβρύχια, βαλλιστικούς πυραύλους, άρματα μάχης, τορπίλες, διαστημικούς πυραύλους, κτλ.

[15]   Συνήθως, οι οπτικές ίνες παρουσιάζουν σχετική ευκαμψία ώστε να μπορούν να κουλουριάζονται εξοικονομώντας χώρο.

[16] Για σκόπευση υψηλής ακριβείας, ένα προσαρμοζόμενο οπτικό σύστημα, υποσύνολο του συστήματος ελέγχου της δέσμης laser, χρησιμοποιεί κάτοπτρα, επεξεργαστές υψηλής ταχύτητας και οπτικούς αισθητήρες υψηλής ταχύτητας για να διαμορφώσει και να ευθυγραμμίσει τη δέσμη, ώστε να εστιάζει απευθείας πάνω στο στόχο σε πραγματικό χρόνο.

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s