UFOeUAPARQUIVO EM PORTUGUÊS

Data: 31/03/2010Local: Relatório preparado para a Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA

DIA, 2010: estudo do AAWSAP avalia que armas laser de alta energia ainda não existem, mas poderiam chegar a espaçonaves em 20 anos

O DIRD de 31 de março de 2010 faz um panorama das armas laser de alta energia, dos lasers químicos aos de elétrons livres, e conclui que nenhuma havia sido implantada. Projeta armas elétricas de quilowatts a megawatts nas próximas décadas, possíveis em espaçonaves em até 20 anos, e lista vulnerabilidades e proteções de naves.

Dossiê completoHistória da investigação
Data do evento
31/03/2010
Local
Relatório preparado para a Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA
Tema
História da investigação
Órgãos das fontes
DOW
Documentos
1 documento · 31 páginas
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68 min
Capa com selo da DIA, a data de 31 de março de 2010, o código DIA-08-1003-019 e o título do relatório sobre armas laser de alta energia.Capa de relatório oficialPágina física 1
Capa de relatório oficial · Defense Intelligence Agency (DIA) · Página física 1 do arquivo divulgado. Capa do DIRD “State of the Art and Evolution of High-Energy Laser Weapons”, de 31 de março de 2010, com o selo da DIA e a marcação “Apoio à Ameaça de Aquisição”. D137, página física 1. A marcação de uso oficial exclusivo aparece riscada. Reprodução da capa do documento; não é imagem de arma nem de ensaio. Fonte documental ↗ · Ampliar imagem ↗

FONTES DOCUMENTAIS · DOW

O que os registros contam

Este é um estudo técnico de referência, não um relato de avistamento. O Documento de Referência de Inteligência de Defesa “State of the Art and Evolution of High-Energy Laser Weapons” (Estado da arte e evolução das armas laser de alta energia), de 31 de março de 2010, foi preparado pela Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3), do Escritório de Alerta de Defesa, na Diretoria de Análise da Agência de Inteligência de Defesa dos EUA (DIA). O autor aparece como “AAP Person 79”, nome substituído na liberação. A capa o classifica como “Apoio à Ameaça de Aquisição”, com data-limite de informação de 1º de dezembro de 2009 e o código DIA-08-1003-019. São 31 páginas.

O expediente diz que o estudo faz parte de uma série de relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2009 no Programa de Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados (AAWSA) do Escritório de Alerta de Defesa. O texto não explica por que o tema foi escolhido. O objetivo declarado na introdução é apresentar um panorama do estado da arte e da possível evolução das armas laser de alta energia da classe de megawatt, com implicações para veículos espaciais em órbita da Terra ou além dela. O documento não menciona UFOs nem UAPs e não trata de engenharia reversa.

A primeira metade explica o básico. Armas cinéticas, como balas e mísseis, levam tempo para chegar ao alvo, mas destroem na hora; armas laser entregam energia à velocidade da luz, mas precisam de um tempo de permanência para aquecer o ponto de mira, “como um maçarico”. O estudo define irradiância (watts por cm²) e fluência (joules por cm²) e passa em revista os tipos de laser: químicos, de estado sólido (barra, placa e fibra), de pulso ultracurto e de elétrons livres. Afirma que todo laser já escalado à classe de megawatt é químico e que esses usam grandes quantidades de produtos químicos perigosos.

O autor conclui que, até então, nenhuma arma laser de alta energia havia sido implantada. Muitos conceitos foram descartados ou adiados por imaturidade, custo, falta de utilidade aparente ou logística. A previsão é que lasers alimentados por eletricidade permitam armas práticas de quilowatts a megawatts nas próximas décadas, com possível freio por preocupações de política. Os prazos citados são: fibras de 50 a 100 kW em cerca de 15 anos e sistemas de megawatt em 20 a 30 anos; lasers de placa da classe de megawatt em até 20 anos; e armas laser iniciais em espaçonaves “concebíveis” nos próximos 20 anos. São estimativas do autor, feitas com o conhecimento de 2009 e 2010.

Um trecho histórico resume as pesquisas militares dos EUA desde 1960. O Exército usou um laser de CO2 de 50 kW em um veículo e derrubou pequenos alvos aéreos nos anos 1970. A Força Aérea, em um avião KC-135, abateu mísseis ar-ar no início dos anos 1980. A Marinha destruiu mísseis antitanque TOW em 1978 e, em White Sands, testou o laser MIRACL. O estudo menciona ainda a Iniciativa de Defesa Estratégica, o Laser Aerotransportado em um Boeing 747-400F e o Laser Tático Avançado em um C-130. As fotografias dessas máquinas são do próprio relatório e têm aviso de direitos autorais, por isso só a capa é reproduzida aqui.

O trecho final trata do espaço, onde, segundo o texto, a ausência de atmosfera é o ambiente ideal para o feixe. O estudo lista vulnerabilidades de espaçonaves à radiação laser: equilíbrio térmico do corpo inteiro, painéis solares, antenas, sensores ópticos e penetração do vaso de pressão de naves tripuladas. A tabela 1 estima irradiâncias de lasers espaciais de 0,1 a 10 megawatts, a distâncias de 10 a 1.000 km. As recomendações incluem obturadores, blindagem de cabos, antenas refletivas, janelas com cobertura e tintas térmicas tolerantes ao laser. O texto ressalva que a eficácia dessas irradiâncias contra projetos reais de naves dependeria de análises e experimentos. A ligação com o programa, no próprio documento, é o foco em armas avançadas e na proteção de espaçonaves.

O limite apontado para uma arma laser espacial não é só o feixe. O estudo diz que um laser de estado sólido teria eficiência de tomada de cerca de 25 por cento, o que exigiria ao menos quatro vezes a potência de saída em energia elétrica: um laser de 1 MW pediria pelo menos 4 MW enquanto estivesse emitindo, e restariam 3 MW em calor para armazenar e dissipar. O autor acrescenta que guardar e retirar esse calor pode ser tarefa mais difícil que gerar a energia. O laser de elétrons livres, indicado para potências bem acima de 1 MW, exigiria ainda cerca de 1 MW contínuo para um refrigerador criogênico com hélio líquido a 2 K. São números do documento.

Dois alertas do texto valem para quem lê o estudo hoje. O primeiro é que “laser seguro para os olhos” é, nas palavras do autor, um equívoco popular: qualquer comprimento de onda, do ultravioleta ao infravermelho, pode ferir olho ou pele. O estudo cita ainda a convenção de Genebra de 1980 contra armas laser de cegamento, cujo desrespeito por outros países ele considera possível. O segundo é que o autor trata o laser em espaçonaves como possibilidade futura, e não como fato: fala em armas laser “iniciais” concebíveis em até 20 anos. O estudo termina com uma lista de sociedades e cursos sobre energia dirigida, como a Directed Energy Professional Society, a SPIE e o AFIT.

LEITURA DIRETA DO ARQUIVO

O documento, em português

Traduzidas na íntegra as 31 páginas do documento, com capa, expediente, sumário, listas de figuras, texto, legendas e rótulos de figuras, a tabela 1, as recomendações e as fontes de informação (blocos por página, documento d397fc90f994bc60). O relatório não traz lista de referências bibliográficas. As fotografias não são reproduzidas por causa do aviso de direitos autorais do expediente; só a capa entra como imagem. O documento não menciona UFOs nem UAPs.

TRECHO 1 · PÁGINA FÍSICA 1

página inteira

[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] Documento de Referência de Inteligência de Defesa Apoio à Ameaça de Aquisição 31 de março de 2010 ICOD: 1º de dezembro de 2009 DIA-08-1003-019 Estado da Arte e Evolução das Armas Laser de Alta Energia

Nota editorial: Capa do documento de referência da DIA, de 31 de março de 2010, sobre as armas laser de alta energia.

Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/} FOR OFFICIJCL 1191! 9HLY Defense Intelligence Reference Document Acquisition Threat Support 31 March 20 10 ICOD: 1 December 2009 DIA-08- 1003-019 State of the Art and Evolution of High-Energy Laser Weapons UNCLASSIFIED//F8R 8FFI@IAL HSE 8Ptllf

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TRECHO 2 · PÁGINA FÍSICA 10

página inteira

[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] LASERS QUÍMICOS Os lasers químicos usam uma reação química em gás ou líquido para liberar a energia que produz a emissão laser. Uma reação pode ser iniciada com uma corrente elétrica, com a luz de outra fonte ou simplesmente pela mistura de produtos químicos hipergólicos. Esses lasers incluem os conhecidos tipos de gás selado de baixa potência, como hélio-neônio, argônio ou criptônio ionizado, que tipicamente produzem luz no visível ou no infravermelho próximo. Os lasers de excímero são outra subcategoria de lasers a gás de baixa potência média. Usam moléculas diméricas como meio de laser, em geral são excitados eletricamente e emitem no ultravioleta. Até hoje, todo laser que foi escalado para potência média da classe de MW pertence à categoria química. Eles usam grandes quantidades de produtos químicos em escoamento rápido para produzir reações que então liberam a energia necessária. O laser de dióxido de carbono (CO2, a 10,6 µm) foi o primeiro a ser escalado para alta potência, por volta de 1970, seguido do laser de fluoreto de deutério (DF, a 3,8 µm) e de seu primo próximo, o laser de fluoreto de hidrogênio (HF, a 2,8 µm), em meados da década de 1970. Esses dispositivos emitem no infravermelho distante a médio e dependem da excitação de estados vibracionais e rotacionais das moléculas emissoras. Os lasers de CO2, DF e HF lembram motores de foguete, porque queimam um combustível com um oxidante. O laser de DF inflama uma mistura de trifluoreto de nitrogênio (NF3) com etileno (C2H4) e depois injeta deutério (um isótopo do hidrogênio) no fluxo de escape para produzir a molécula emissora de fluoreto de deutério. Esse laser foi a escolha da Marinha e do Exército nas décadas de 1970 e 1980 para o desenvolvimento de lasers táticos, enquanto o laser de HF foi a escolha da Iniciativa de Defesa Estratégica (SDI) para seu desenvolvimento de Laser Baseado no Espaço, nos anos 1980 (Figura 4). [Figura 4. Imagem de um gerador de ganho cilíndrico.] Figura 4. Gerador de ganho cilíndrico para laser químico de HF baseado no espaço O mais novo laser químico a ser escalado para alta potência é o Laser Químico de Oxigênio e Iodo (COIL, a 1,315 µm), que excita estados vibrônicos (mudança simultânea dos números quânticos vibracional e eletrônico) no iodo monoatômico para obter o comprimento de onda no infravermelho próximo. O COIL gera luz por um processo mais complexo, que não envolve combustão, mas ainda libera calor considerável. Cloro gasoso (Cl2) é misturado a uma mistura desestabilizada de peróxido de hidrogênio (H2O2) para produzir uma molécula de oxigênio excitada e água. A molécula de oxigênio é então combinada com iodo (I2) em uma reação que separa a molécula de iodo em iodo monoatômico e transfere a energia da molécula de oxigênio para ele. O iodo torna-se então o átomo emissor. Esse laser de infravermelho próximo foi o dispositivo escolhido para o programa Laser Aerotransportado da Agência de Defesa contra Mísseis. 5

Nota editorial: Descrição dos lasers químicos (CO2, DF, HF e COIL) e dos programas militares a que cada um serviu, com a figura de um gerador de ganho cilíndrico.

Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ fFOA OFFl&I.t.k YSE &P•tv CHEMICAL LASERS Chemical lasers use a chemical reaction in gas or liquid to release the energy which produces their lasing. A reaction can be initiated with an electric current, by light from another source, or by simply mixing hypergolic chemicals. These lasers include familiar low power, sealed gas types such as helium-neon, argon, or krypton-ion and typically produce light in the visible or near infrared. Excimer lasers are another low average power sub-category of gas lasers. These use dimer molecules as the lasing medium, are generally electr ically excited, and lase in the ultraviolet. To-date, every laser which has been scaled to MW-class average power falls in the chemical category . They use large quantities of rapidly flowing chemicals to produce reactions which ,.c:.;_i:::~: ::~=?:.;:~•.i;:;,..~•...::'.'i••/~:"'I, ::.--- then release the required energy. The <"-"""'- ~..'"::~~~~ - carbon dioxide laser (CO2 at 10.6 ~1m) was the first to be scaled to high power around 1970 followed by the deuterium­ fluoride laser (DF at 3.8 µm) and its first cousin the hydrogen-fluoride laser (HF at 2.8 µm) in the mid-1970s. These devices lase in the far- to mid-infrared and depend on exciting vibrational and rotational states of the lasing molecules. CO2, DF, and HF lasers resemble rocket engines because they combust a fuel with an oxidizer. The DF laser ignites a mixture of nitrogen-trifluoride (NF3) with ethylene (C2H4) and then injects deuterium (an isotope of hydrogen) into the exhaust stream to produce the lasing molecule of deuterium-fluoride. Figure 4. Cylindrical Gain Generator for HF Chemical This laser was the choice of the Navy Space Based Laser and Army in the 1970's and 80's for tactical laser development while the HF laser was the choice of the Strategic Defense Initiat ive (SDI) for their Space Based Laser development in the 1980's (Figure 4 ). The newest chemical laser to be scaled to high power is the Chemical Oxygen Iodine Laser (COIL at 1.315 µm) which excites vibronic states (simultaneous change of vibrational and electronic quantum numbers) in monatomic iodine to achieve the near­ infrared wavelength. COIL generates light in a more complex process which does not involve combustion but still releases considerable heat. Gaseous chlorine (Cl2) is mixed with a destabilized hydrogen-peroxide (H2O2) mixture to produce an excited oxygen molecule and water. The oxygen molecule is then combined with iodine (Iz) in a reaction which separates the iodine molecule into monatomic iodine and transfers the oxygen molecule's energy to it. Iodine then becomes the lasing atom. This near­ infrared laser was the device of choice for the Missile Defense Agency's Airborne Laser program. UNCLASSIFIED/ fFOA QFFI&I.t.k YSE 8,.L\f 5

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TRECHO 3 · PÁGINA FÍSICA 11

página inteira

[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] Tipicamente, em um laser químico, de 10 a 20 por cento da energia liberada na reação química resultam em emissão laser, enquanto os outros 80 a 90 por cento se tornam calor. Felizmente, em um laser de gás em escoamento, o calor pode ser facilmente removido da região do ressonador do gerador de ganho pelo gás de escape. É esse mecanismo eficiente de remoção de calor que permitiu escalar os lasers químicos para potências médias tão altas. Se um laser da classe de MW fosse necessário hoje ou nos próximos anos, os lasers químicos ofereceriam as únicas opções disponíveis. Por usarem grandes quantidades de produtos químicos perigosos e precisarem de reabastecimento, esse tipo de laser não é uma escolha preferida pelos militares. A física e o escalonamento dos lasers químicos como DF, HF e COIL são bem compreendidos e, em princípio, poderiam ser escalados para níveis de potência bem acima do nível de MW. No entanto, devido à maturidade dessas tecnologias, é provável apenas uma melhoria marginal adicional de eficiência. Como resultado, a quantidade de produtos químicos que precisariam ser armazenados e consumidos para um laser acima de cerca de 10 MW tornaria o conceito altamente impraticável para aplicações baseadas no espaço e extremamente trabalhoso para lasers baseados em terra. Além disso, a degradação atmosférica de um feixe laser que se propaga do solo ao espaço torna esses comprimentos de onda impraticáveis em níveis de potência acima de 10 MW. LASERS DE ESTADO SÓLIDO A categoria de laser mais antiga e talvez a mais diversa é a dos lasers de estado sólido, que usam átomos ou moléculas específicos como meio de ganho (chamados de dopante), suspensos de modo uniforme em um cristal transparente ou vidro cerâmico (chamado de hospedeiro). Por exemplo, o conhecido laser de Nd:YAG usa alguns por cento de átomos de neodímio (Nd) como dopante, suspensos em uma mistura cristalina de ítrio, alumínio e granada (YAG). A Figura 5 mostra algumas das muitas combinações de dopantes e hospedeiros de lasers de estado sólido em uso ou em desenvolvimento hoje. [Figura 5. Gráfico de comprimentos de onda de 0,4 a 2,0 micrômetros, divididos em faixa visível e infravermelho próximo, com as linhas de rubi, rodamina, safira, Nd:YAG, Yb:YAG, alexandrita, Er:YAG, Er:Yb:YAG, Ho: e Nd:YAG dobrado em frequência (X2). Hospedeiros podem incluir: rubi = Al2O3:Cr; safira = Al2O3; YAG = ítrio, alumínio, granada = Y3Al5O12; LuAG = lutécio, alumínio, granada = Lu3Al5O12; ítria = Y2O3.] Figura 5. Lasers de estado sólido comuns e seus comprimentos de onda Uma grande vantagem dos lasers de estado sólido para aplicações móveis ou portáteis é que só precisam de eletricidade para funcionar, embora também seja necessário resfriamento. Por exemplo, uma operação de 5 segundos de um laser de 100 kW com 15 por cento de eficiência exigiria menos de um quilograma de gasolina ou diesel. Não são necessários produtos químicos perigosos e um 6

Nota editorial: Avalia a eficiência e a logística dos lasers químicos e apresenta os lasers de estado sólido, com o gráfico de seus comprimentos de onda.

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UNCLASSIFIED/ fFOA. OFFI€il.t.L YSE er•tv Typically in a chemical laser, 10 to 20 percent of the energy released in the chemical reaction will result in lasing while the other 80 to 90 percent becomes heat. Fortunately in a flowing gas laser, the heat can be easily removed from the resonator region of the gain generator by the exhaust gas. It is this efficient heat removal mechanism which has allowed chemical lasers to be scaled to such high average powers. If a MW-class laser were required today or in the next few years, chemical lasers provide the only available options. Because they use large quantities of hazardous chemicals and need refueling, this type of laser is not a preferred choice by the military. The physics and scaling of chemical lasers such as OF, HF, and COIL are well understood and, in principal, they could be scaled to power levels significantly beyond the MW level. However, due to the maturity of these technologies, only marginal further efficiency improvements are likely. As a result, the quantity of chemicals which must be stored and consumed for a laser beyond ~ 10 MW would make the concept highly impractical for space-based applications and extremely cumbersome for ground based lasers. Additionally, the atmospheric degradation of a laser beam propagating from ground to space makes these wavelengths impractical at power levels beyond 10 MW. SOLID-STATE LASERS The earliest and perhaps the most diverse laser category is the solid-state laser which uses specific atoms or molecules as a lasing gain medium (called the dopant) uniformly suspended in transparent crystalline or ceramic glass (called the host). For example, the familiar Nd:YAG laser uses a few percent of neodymium (Nd) atoms as the dopant suspended in a crystalline mix of yttrium, aluminum, and garnet (YAG). Figure 5 shows some of the many combinations of solid-state laser dopants and hosts in use or being developed today. Wavelength (microns) 0.4 0. 5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 I : isibl e II a ·~ 0 Ruby Rhodamine I ~ear lnfra~d I I !11I I ·~ !,Sapphire • ~~ I Nd: YAG Yb:YAG Alex and rite Er: YAG Er:Yb :YAG Hosts can include: Ruby~ Al2 03::Cr -Sapphire - Al203 I ,J Ho: Nd:YAG X2 YAG"' Yittrium , Aluminum , Gamate"' Y3Al5012 LuAG"' Lutetium, Aluminum, Gamate"' Lu3Al5012 Yittira"' Y2 03 Figure 5. Common Solid-State Lasers and Their Wavelengths A major advantage of solid-state lasers for mobile or portable applications is that they only require electricity to power them although cooling is also needed. For example, a 5 second run of a 15 percent efficient 100 kW laser would require less than one kilogram of gasoline or diesel fuel. No hazardous chemicals are needed and an UNCLASSIFIED/ fFOA QFFI€il.t.L YSE 8,.L\f 6

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TRECHO 4 · PÁGINA FÍSICA 12

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] paiol extremamente profundo torna-se possível. Esses atributos combinam-se para tornar os lasers de estado sólido muito atraentes para aplicações civis e militares. LASERS DE BARRA E DE PLACA Os primeiros meios de laser de estado sólido tinham a forma de uma barra cilíndrica e eram bombeados oticamente com lâmpadas de flash. Lasers de estado sólido de maior potência foram feitos mais tarde com placas retangulares maiores, já que a quantidade de potência laser que pode ser extraída aumenta com o volume do meio de laser. Além disso, as geometrias retangulares permitiram bombeamento óptico e resfriamento mais eficientes. Lasers de estado sólido mais novos foram bombeados com diodos semicondutores, que emitiam luz de modo mais eficiente que as lâmpadas de flash e em comprimentos de onda mais aproveitáveis pelo meio de ganho. Como os lasers químicos, são consideravelmente menos que 100 por cento eficientes no total e geram calor. No entanto, os lasers de estado sólido acumulam calor no meio de vidro, onde as tensões térmicas resultantes podem distorcer o feixe a ponto de inutilizá-lo ou até rachar o vidro. Como o meio à base de vidro é mau condutor térmico, é difícil remover o calor. Assim, o gerenciamento térmico do meio de ganho impõe limites fundamentais ao aumento da potência média em um único laser de placa. Grande parte da pesquisa recente em lasers de placa concentrou-se em desenvolver formas inovadoras de remover esse calor ou de combinar os feixes de muitas placas menores. Para combinar feixes laser de modo a manter boa qualidade global do feixe, o comprimento de onda, a fase e a polarização dos feixes individuais precisam ser rigorosamente controlados. Esse processo é chamado de "combinação coerente" ou "faseamento" e resulta na irradiância máxima (watts/cm²) ao minimizar a área do ponto focalizado sobre a qual a potência total do laser se espalha. Se uma aplicação (como soldagem ou usinagem) depende mais da potência total do que de minimizar o tamanho do ponto, a combinação coerente não é necessária e os feixes laser podem ser focalizados separadamente no mesmo ponto, sem considerar diferenças de comprimento de onda, fase ou polarização. Essa técnica é chamada de "combinação incoerente". Houve grande progresso no desenvolvimento de lasers de placa nos últimos anos. A Northrop-Grumman, em um programa financiado pelo DoD, produziu recentemente 100 kW com boa qualidade de feixe. Esse dispositivo de laboratório, chamado Laser de Estado Sólido de Alta Potência Conjunto (JHPSSL), usa um único oscilador-mestre de Nd:YAG que alimenta amplificadores de potência de Nd:YAG paralelos e bem faseados. O escalonamento de potência por força bruta, bem além de 100 kW, parece relativamente direto com as abordagens disponíveis hoje. Infelizmente, à medida que mais lasers são combinados, a qualidade global do feixe se deteriora, enquanto aumentam o número de peças, a complexidade e a fragilidade. Isso torna improváveis, no curto prazo, tanto a militarização no nível de 100 kW quanto o escalonamento em laboratório até o nível de MW ou além com essa abordagem. No entanto, dado o ritmo recente de progresso e a relativa imaturidade da tecnologia, seria razoável esperar novos avanços tecnológicos importantes em gerenciamento térmico e faseamento, em diodos de bombeamento mais baratos e mais potentes (o principal custo hoje) e em engenharia muito mais robusta. Essas melhorias poderiam resultar em sistemas de laser de placa da classe de MW, acessíveis, robustos e militarmente úteis, com qualidade de feixe razoável, nos próximos 20 anos. Grande parte da pesquisa relevante está ocorrendo fora dos Estados Unidos. 7

Nota editorial: Explica o limite térmico dos lasers de barra e de placa, a combinação coerente e incoerente de feixes e a demonstração de 100 kW em laboratório, com projeção de melhoria em 20 anos.

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UNCLASSIFIED/ fFOA OFFI€il.t.k YSE &P•tv extremely deep magazine becomes possible. These attributes combine to make solid­ state lasers very attract ive for both civilian and milit ary applications. ROD AND SLAB LASERS The earliest solid-state laser mediums took the shape of a cylindrical rod and were optically pumped with flashlamps. Higher power solid-state lasers were later made using larger rectangular slabs since the amount of laser power which can be extracted increases with the lasing medium's volume. Additionally, rectangular geometries allowed more efficient optica l pumping and cooling. Newer solid-state lasers were pumped with semiconductor diodes which emitted light more efficiently than flashlamps and at wavelengths which were more useable by the gain medium. Like chemical lasers, they are considerably less than 100 percent efficient overall and generate heat. However, solid-state lasers accumulate heat in the glass lasing medium where the result ing thermal stresses can distort the lasing beam enough to render it useless or even crack the glass. Since the glass-based medium is a poor thermal conductor, it is difficult to remove heat. Thus, thermal management of the gain medium imposes fundamental limits to increasing the average power in a single slab laser. Much of the recent research in slab lasers has focused on developing innovative ways to remove this heat or to combine beams from many smaller slabs. In order to combine laser beams in a fashion which retains good overall beam quality, the wavelength, phase, and polarization of the individual beams must be tightly controlled. This process is referred to as "coherent combination" or "phasing" and results in the maximum irradiance (watts/cm 2) by minimizing the focused spot area over which the total laser power is spread. If an application (such as welding or machining) depends more on total power than on minimizing spot size, then coherent combination is not needed and the laser beams can be separately focused to the same spot with no regard to differences in wavelength, phase, or polarization. This technique is called "incoherent combination." Major progress has been made in slab laser development during the last few years. Northrop-Grumman, under a DoD-funded program, recently produced 100 kW with good beam quality. This laboratory device, called the Joint High-Power Solid-State Laser (JHPSSL), uses a single Nd :YAG master-oscillator that feeds parallel, well-phased Nd :YAG power amplifiers. Brute-force power scaling, well beyond 100 kW, seems relatively straight-forward using approaches available today. Unfortunately, as more lasers are combined the overall beam quality will deteriorate while the parts-count, complexity, and fragility increases. This makes either militar ization at the 100 kW level or laboratory scaling to/beyond the MW level unlikely in the near-term with this approach. However, given the recent rate of progress and the relative immaturity of the technology, it would be reasonable to expect further major technological breakthroughs in thermal management and phasing, cheaper/more powerful pump diodes (the major cost today), and far more rugged engineering. These improvements could be expected to yield affordable, rugged, militarily useful MW-class slab laser systems with reasonable beam quality within the next 20 years. Much of the relevant research is occurring outside of the United States. UNCLASSIFIED/ fFOA QFFI&I.t.k YSE 8,.L\f 7

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TRECHO 5 · PÁGINA FÍSICA 13

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] LASERS DE FIBRA Os lasers de fibra também são lasers de estado sólido, mas costumam ser considerados à parte devido às muitas diferenças de implementação. São feitos dos mesmos materiais listados na Figura 4 e emitem nos mesmos comprimentos de onda. Um laser de fibra pode ser visualizado como um laser de barra esticado por muitos metros, com diâmetro resultante do tamanho de um fio de cabelo humano. A razão fundamental é melhorar a dissipação de calor. A razão entre a área superficial e o volume de uma fibra é muito maior que a de uma barra ou placa, e a distância que o calor precisa percorrer até a borda do meio de laser é reduzida em ordens de grandeza. A fibra emissora é cercada por uma fibra concêntrica, de diâmetro maior e sem dopagem, na qual a luz de bombeamento é injetada (em geral nas extremidades) e depois deixada vazar para a fibra emissora ao longo de todo o comprimento. Os lasers de fibra são fabricados, ou "puxados", de modo muito parecido com as fibras convencionais de comunicação óptica. Como as fibras são muito finas, a potência que pode ser gerada em uma única fibra emissora antes do início do dano é atualmente bastante limitada. Novas abordagens para injetar a luz de bombeamento e controlar o feixe laser durante sua geração ou amplificação surgem quase diariamente. Foram construídas fibras com múltiplos núcleos, cristais fotônicos e espaços de ar para aumentar a potência de lasers de fibra individuais com boa qualidade de feixe, e foram desenvolvidas formas de combinar os feixes. Os lasers de fibra de menor diâmetro, que produzem feixes monomodo com ótimo controle de comprimento de onda e polarização estável, demonstraram algumas centenas de watts e atualmente se considera que têm um limite superior de limiar de dano de cerca de 10 kW. Pequenos números desses feixes foram combinados de forma coerente por técnicas que igualam o comprimento de onda, a fase e a polarização de cada laser de fibra do conjunto. As larguras de banda dessas cadeias de laser e amplificador precisam ser extremamente estreitas (<< 1 GHz) para manter a polarização e depois serem faseadas de forma coerente em cerca de 01. λ, valor médio quadrático [grafia impressa assim no original]. Resta ver quanta potência total pode ser gerada com boa qualidade de feixe e quais são os limites fundamentais da combinação coerente. Pesquisas de faseamento com técnicas mecânicas, que usam espelhos deformáveis, e com abordagens passivas, que usam espalhamento Raman estimulado, estão sendo ambas perseguidas com vigor. Essas técnicas de combinação, aplicadas a lasers de fibra, estão em sua infância e oferecem o potencial de armas com alcances táticos bastante longos. Outros lasers de fibra monomodo foram produzidos com até 5 kW. Embora suas saídas tenham boa qualidade de feixe, eles emitem em uma faixa de comprimentos de onda larga demais para manter a polarização e não podem ser combinados de forma coerente. Entretanto, esses feixes podem ser combinados de forma incoerente, focalizando-os individualmente no mesmo ponto (Figura 6), de modo semelhante à combinação incoerente de feixes de lasers de placa, ou emendando fisicamente as fibras de saída dos lasers individuais em uma fibra maior, sem dopagem (Figura 7), que comporta a potência total mais alta. 8

Nota editorial: Explica a dissipação de calor nos lasers de fibra, os limites de dano e as formas de combinar seus feixes, com resultados de laboratório.

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UNCLASSIFIED/ fFOA OFFI€il.t.k YSE &P•tv FIBER LASERS Fiber lasers are also solid-state lasers but are frequently considered separately due their many differences in implementation. They are made of the same materials listed in Figure 4 and lase at the same wavelengths. A fiber laser can be visualized as a rod laser which has been stretched many meters with a resulting diameter about the size of a human hair. The fundamental reason is to improve heat dissipation. The ratio of a fiber's surface area to its volume is much greater than a rod or slab and the distance which heat must travel to the edge of the lasing medium is reduced by orders of magnitude . The lasing fiber is surrounded by a concentric, larger diameter undoped fiber into which pump light is injected (usually at the ends) and then allowed to leak into the lasing fiber along the entire length. Fiber lasers are manufactured or "pulled" in much the same way as conventional optical communications fibers. Because the fibers are so thin, the power which can be generated in any one lasing fiber before the onset of damage is currently quite limited. New approaches to injecting the pump light and controlling the laser beam as it is generated or amplified are occurring almost daily. Fibers have been constructed using multiple cores, photonic crystals and air spaces in order to increase the power of individual fiber lasers with good beam quality and in ways to combine the beams. The smallest diameter fiber lasers, which produce single mode beams with very good wavelength control and stable polarization, have demonstrated a few hundred watts and are currently thought to have a damage threshold upper bound of about 10 kW. Small numbers of these beams have been coherently combined using techniques which match wavelength, phase and polarization of each fiber laser in the cluster. The bandwidths of these laser/amplifier chains must be extremely narrow ( << 1 GHz) to maintain polarization and to then be coherently phased to about 01. ). rms. It remains to be seen how much total power can be generated with good beam quality and what are the fundamental limits to coherent combining. Phasing research into mechanical techniques which use deformable mirrors and passive approaches which use stimulated Raman scattering are both being aggressively pursued. These combining techniques, when applied to fiber lasers, are in their infancy and offer the potential for weapons with fairly long tactical ranges. Other single mode fiber lasers have been produced which generated as much as 5 kW. Although their outputs are of good beam quality, they lase over a wavelength band which is too broad to maintain polarization and cannot be coherently combined. However, these types of beams can be combined incoherently by individually focusing them onto the same spot (Figure 6), similar to incoherent combination of slab laser beams or by physically splicing the output fibers of the individual lasers onto a larger undoped fiber (Figure 7) which can accommodate the higher total power. UNCLASSIFIED/ fFOA QFFI&I.t.k YSE 8,.L\f 8

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TRECHO 6 · PÁGINA FÍSICA 14

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] [Figura 6. Esquema: vários lasers monomodo, cada um com seu feixe, apontados por um telescópio de apontamento para o mesmo ponto do alvo.] Figura 6. Combinação incoerente de lasers monomodo no alvo [Figura 7. Esquema: vários lasers monomodo ligados a um combinador de fibras, cuja saída segue para o telescópio de apontamento.] Figura 7. Combinação incoerente de lasers monomodo em um combinador de fibras Essa fibra maior não mantém a qualidade de feixe dos feixes laser individuais e resulta em desempenho aproximadamente equivalente a focalizar separadamente os feixes em um único ponto. Por exemplo, sete fibras individuais foram combinadas em uma fibra maior para produzir um único feixe com qualidade de feixe cerca de 6 vezes o limite de difração e 9

Nota editorial: Dois esquemas que ilustram a combinação incoerente de lasers de fibra, no alvo ou em uma fibra combinadora, e o início da explicação do resultado.

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UNCLASSIFIED/ f FOA OFFl&I.t .k YSE &P•t v Pointing Telescope single mode lasers Figu re 6. I ncoherent Combination of Single Mode Laser s at the Ta rget Pointing Telescope '------r---' Single mode lasers Figure 7. Incoherent Combination of Single Mode Lasers in a Fiber Combiner This larger fiber does not maintain the beam quality of the individual laser beams and results in performance roughly equivalent to separately focusing the beams onto a single spot. For example, seven individual fibers have been combined into a larger fiber to produce a single beam with a beam quality of about 6 times the diffraction limit and UNCLASSIFIED/ fFOA OFFI&I.t.k YSE 8,.L\f 9

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TRECHO 7 · PÁGINA FÍSICA 15

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] 25 a 50 fibras foram combinadas em uma fibra ainda maior, com potência de saída resultante de 50 kW e qualidade de feixe efetiva de cerca de 30. Soldadores e cortadores comerciais altamente confiáveis são feitos hoje com lasers de fibra que combinam feixes emendando fibras laser para aumentar a potência de saída. Alguns desses dispositivos operam, segundo relatos, com eficiência de tomada à saída de luz superior a 30 por cento, mas esses números não incluem nenhuma potência necessária para o resfriamento. Como arma, esses lasers de prateleira poderiam produzir feixes úteis a curtas distâncias. Uma vantagem significativa dos lasers de fibra é sua robustez inerente em comparação com os lasers de placa ou de barra. A maioria das funções ópticas (como controle de comprimento de onda e de polarização, divisores e combinadores de feixe) necessárias para produzir um feixe de alta potência com boa qualidade pode ser integrada às fibras, enquanto os sistemas de laser de placa exigem componentes discretos, que precisam ser mantidos limpos e em alinhamento mecânico. Dadas a imaturidade e a rapidez de avanço dos lasers de fibra hoje, é impossível prever até onde irão. A pesquisa atual de escalonamento de potência concentrou-se em fibras de Yb:YAG e Nd:YAG a 1 µm, com esforço limitado a 1,5 µm e 2 µm. Embora estejam atrás da maturidade das fibras de 1 µm, elas oferecem potencial de maior segurança para os olhos. Se o processo de amadurecimento continuar como tem sido, os lasers de fibra oferecerão a melhor promessa de alta potência e boa qualidade de feixe, com robustez e confiabilidade inerentes. Dispositivos militarizados de 50 kW a 100 kW deveriam estar disponíveis nos próximos 15 anos, e não é difícil imaginar sistemas de MW em 20 a 30 anos. LASERS DE PULSO ULTRACURTO Os lasers de pulso ultracurto (USP), às vezes chamados de lasers de femtossegundo (fs), produzem pulsos de luz mais curtos que 1 picossegundo (10^-12 segundo). Alguns lasers USP produziram pulsos de menos de 10 fs, o que corresponde a um comprimento de 3 mícrons e equivale a apenas alguns ciclos de luz visível (em comparação, um fio de cabelo humano tem cerca de 100 mícrons de diâmetro). Foram desenvolvidos na década de 1970, usando lasers de pulso longo para iluminar corantes químicos que então produziam os pulsos curtos; hoje os lasers USP empregam placas, como titânio:safira, ou uma variedade de fibras, e há dispositivos de bancada comercialmente disponíveis. Embora a potência média desses dispositivos seja tipicamente inferior a um watt, os pulsos curtos resultam em potências de pico que podem ir de um terawatt (10^12 watts) a um petawatt (10^15 watts). A potência extremamente alta contida em pulsos muito curtos mostrou-se útil para usinagem de precisão, perfuração de furos minúsculos e remoção seletiva de material em grande variedade de materiais. Além das aplicações comerciais de usinagem, foram desenvolvidos usos médicos, como cirurgia ocular e destruição de células cancerosas. Quando se propagam na atmosfera, esses pulsos ultracurtos não obedecem às leis usuais de abertura por difração e podem (em certas circunstâncias) permanecer bem focalizados por longas distâncias. Essa tecnologia permanece em sua infância, e a pesquisa continua para aumentar a potência média (em geral com maior taxa de pulsos), compreender melhor a física da propagação de USP e explorar as interações dos materiais com USP. Grande parte da pesquisa em USP hoje se encontra em instituições acadêmicas do mundo inteiro. Além do potencial de causar dano a sensores, o potencial militar desses dispositivos ainda está por ser determinado. 10

Nota editorial: Relata os lasers de fibra combinados já usados na indústria e descreve os lasers de pulso ultracurto, de pico de potência muito alto e potência média baixa.

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UNCLASSIFIED/ fFOA. OFFI€il.t.L YSE er•tv 25 to 50 fibers have been combined into an even larger fiber with a resultant output power of 50 kW and an effective beam quality of about 30. Highly reliable commercial welders and cutters are made today with fiber lasers which combine beams by splicing laser fibers together to increase output power. Some of these devices operate at a reported wall plug to light-out efficiency > 30 percent but these numbers do not include any power required for cooling. As a weapon, these off-the-shelf lasers could produce useful beams for short distances. A significant advantage of fiber lasers is the ir inherent ruggedness when compared to slab or rod lasers. Most of the optical functions (such as wavelength and polarization control, beam splitters and combiners) which are required to produce a high-power beam with good beam quality can be integrated into the fibers while slab laser systems require discrete components which must be kept clean and held in mechanical alignment. Given the immaturity and rate of advance of fiber lasers today, it is impossible to predict where they will go. Current power scaling research has been centered on Yb:YAG and Nd:YAG fibers at 1 µm with limited effort at 1.5 µm and 2 µm. Although lagging the maturity of 1 µm fibers, they offer potential for increased eye safety . If the maturation process continues as it has, fiber lasers will offer the best promise for high power and good beam quality with inherent ruggedness and reliability. Militarized devices at the 50 kW to 100 kW should be available within the next 15 years and it's not difficult to imagine MW systems within 20 to 30 years. ULTRA-SHORT PULSE LASERS Ultra-Short Pulse (USP) lasers, somet imes called femtosecond (fs) lasers, produce pulses of light shorter than 1 picosecond (10-12 second). Some USP lasers have produced pulses less than 10 fs which is a length of 3 microns and equivalent to only a few cycles of visible light (by comparison, a human hair is about 100 microns in diameter). They were developed in the 1970s using long pulse lasers to illuminate chemical dyes which then produced the short pulses; today USP lasers employ slabs such as Titanium:Sapphire or a variety of fibers and table-top size devices are commercially available. Although the average power of these devices is typically sub­ watt, the short pulses result in peak powers which can range from a terawatt (10 12 watts) to a petawatt (10 15 watts). The extremely high power contained in very short pulses has proven useful for precision machining, drilling tiny holes, and selective material remova l in a wide variety of materials. In addition to commercial machining applications, medical uses such as eye surgery and cancer cell destruction have been developed. When propagated in the atmosphere, these ultra short pulses do not obey the usual laws of diffraction spreading and can (under certain circumstances) remain tightly focused over long distances. This techno logy remains in its infancy and research is ongoing to increase average power (generally with a higher pulse rate), to better understand the physics of USP propagation, and to explore material interactions with USP. Much of the USP research today is found in world-wide academic institutions. Other than the potential for inflicting sensor damage, the military potent ial of these devices is yet to be determined. UNCLASSIFIED/ fFOA QFFI€il.t.L YSE 8,.L\f 10

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TRECHO 8 · PÁGINA FÍSICA 16

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] LASERS DE ELÉTRONS LIVRES Os lasers de elétrons livres (FELs) são singulares porque não se limitam a emitir apenas em comprimentos de onda específicos, ditados pelas características de um meio de ganho sólido, líquido ou gasoso específico. Os FELs usam um fluxo de pacotes de elétrons "livres" (não ligados a átomos), que se movem quase à velocidade da luz, como meio de laser. Esses pacotes curtos de elétrons são gerados por um fotocátodo e acelerados por um acelerador linear de radiofrequência alimentado por tubos klystron. Os pacotes relativísticos de elétrons passam então por um conjunto de ímãs de polaridade alternada, chamado "wiggler" ou "ondulador" (Figura 8), que acelera os elétrons transversalmente e converte uma pequena fração da energia dos pacotes de elétrons em energia óptica coerente. [Figura 8. Esquema do ondulador: o feixe de elétrons entra pela esquerda, atravessa os ímãs alternados, e a radiação de saída sai em micropulsos junto com o feixe de elétrons gasto.] Figura 8. Ondulador de laser de elétrons livres A ótica do ressonador, em cada extremidade do ondulador, reflete repetidamente os pacotes ópticos de volta através do ondulador para aumentar sua intensidade. O comprimento de onda da emissão pode ser escolhido pelo projeto adequado do ondulador e pela seleção da energia do feixe de elétrons. A Figura 9 é um diagrama de um FEL infravermelho de 2 kW construído pelo Thomas Jefferson National Accelerator Facility. O FEL de maior potência média até hoje é de 10 kW. 11

Nota editorial: Descreve o laser de elétrons livres, com acelerador e ondulador, e informa as potências já obtidas em laboratório, na casa dos quilowatts.

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UNCLASSIFIED/ fFOA OFFl&I.t.k YSE &P•tv FREE-ELECTRON LASERS Free-electron lasers (FELs) are unique in that they are not lim ited to lasing only at specific wavelengths dictated by the characteristics of a specific solid, liquid, or gaseous gain medium. FELs use a stream of "free" (unbound to atoms) electron bunches, moving at almost the speed of light, to provide the lasing medium. These short bunches of electrons are generated by a photocathode and accelerated by an RF linear accelerator which is powered by klystron tubes. The relativistic electron bunches are then passed through an alternating-polarity set of magnets, called a "wiggler" or "undu lator" (Figure 8) which transversely accelerates the electrons and converts a small fraction of the electron bunches' energy into a coherent optical energy. Output radiation Spent electron beam micropulse Figure 8. Free-Electron Laser Wiggler Resonator optics on each end of the wiggler repeatedly reflect the optical bunches back through the wiggler to increase their strength. The lasing wavelength can be chosen by proper design of the wiggler and selection of the electron beam's energy. Figure 9 is a diagram of a 2 kW infrared FEL built by the Thomas Jefferson National Accelerator Facility. The highest average power FEL to-date is 10 kW. UNCLASSIFIED/ fFOA QFFI&I.t.k YSE 8,.L\f 11

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TRECHO 9 · PÁGINA FÍSICA 17

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] [Figura 9. Diagrama do equipamento, com os rótulos "Refrigerador de hélio" e "Controles".] Figura 9. Elementos do FEL de 2 kW do Thomas Jefferson National Accelerator Facility Como os lasers químicos, os FELs têm potencial para produzir potência média da classe de megawatt. Diferentemente dos lasers químicos, os FELs não dependem de reações químicas potencialmente perigosas para gerar um feixe, mas exigem um acelerador linear de radiofrequência alimentado eletricamente, resfriado a temperaturas supercondutoras por um grande refrigerador. Também é necessário um controle preciso de muitos megawatts de feixe relativístico de elétrons em circulação. Muitos grandes aceleradores lineares de radiofrequência foram construídos no mundo para pesquisa, mas todos são dispositivos de laboratório. Um pequeno acelerador de partículas foi robustecido e levado ao espaço, mas nunca usado operacionalmente em ambiente militar. Resta ver se as significativas questões técnicas associadas à ampliação da potência média podem ser resolvidas em laboratório e depois projetadas para funcionar em ambiente militar, como a bordo de um navio. Controle de feixe e propagação atmosférica dos dispositivos laser Voltando à Figura 2, o sistema de controle de feixe inclui a parte do sistema de arma que gera o feixe HEL dentro do gerador de ganho do laser, o conduz e alinha através do trem óptico, o expande com o telescópio de apontamento e depois o focaliza na distância do alvo. Contém também os sensores e rastreadores que adquirem o alvo e o mantêm estável no campo de visão. Como o ponto do feixe HEL sobre o alvo costuma ser muito menor que o alvo, o sistema de controle de feixe precisa identificar o ponto de mira desejado no alvo e colocar o feixe HEL ali por tempo suficiente para causar dano. Se sensores de frente de onda e espelhos deformáveis forem usados para melhorar a qualidade do feixe do laser (chamada ótica adaptativa de "laço local") ou para compensar a distorção atmosférica (chamada ótica adaptativa de "laço de alvo"), eles também fazem parte do sistema de controle de feixe. Se o trajeto de propagação 12

Nota editorial: Expõe a complexidade de refrigeração e de aceleração dos lasers de elétrons livres e define o que faz o sistema de controle de feixe.

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UNCLASSIFIED/ fFOA: OFFI€1.t.k YSE &P•tv Helium Refrigerator Controls I ◄ tom-.{ Figure 9. Elements of the 2 kW FEL at Thomas Jefferson National Accelerator Facility Like chemical lasers, FELs have the potential to produce megawatt class average power. Unlike chemical lasers, FELs do not rely on potentially hazardous chemical reactions to generate a beam but they do require an electrically powered RF linear accelerator which is cooled to superconducting temperatures by a large refrigerator. Precise control of many megawatts of circulating relativistic electron beam is also needed. Many large RF linear accelerators have been built around the world for research purposes but all are laboratory devices. A small particle accelerator has been ruggedized and flown in space but never used operationally in a military environment. It remains to be seen if the significant technical issues associated with average power scale-up can be resolved in the laboratory and then engineered to function in a military environment such as on-board a ship. Beam Control and Atmospheric Propagation of Laser Devices Referring back to Figure 2, the beam control system includes that portion of the weapon system which generates the HEL beam inside the laser gain generator, relays and aligns it through the optical train, expands it using the pointing telescope, and then focuses it at the range of the target. It also contains the sensors and trackers which acquire the target and hold it stably in the field of view. Since the HEL beam's spot on the target is generally much smaller than the target, the beam control system must identify the desired aim point on the target and place the HEL beam there for a sufficient duration to inflict damage . If wavefront sensors and deformable mirrors are used to improve the laser's beam quality (referred to as "local loop" adaptive optics) or to compensate for atmosphere distortion (referred to as "target loop" adaptive optics), then they are also part of the beam control system. If the propagat ion path is UNCLASSIFIED/ fFOA OFFI€l.t.k YSE 8,.L\f 12

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TRECHO 10 · PÁGINA FÍSICA 18

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] estiver inteiramente no vácuo do espaço, obviamente não há necessidade de ótica adaptativa de laço de alvo. A medida do desempenho de um sistema de controle de feixe é sua capacidade de maximizar a irradiância média do feixe HEL (watts/cm²) no ponto focalizado sobre o ponto de mira e de mantê-la ali enquanto se acumula fluência suficiente (watts/cm² x tempo, ou joules/cm²). A potência total nesse ponto focalizado é tipicamente cerca de metade da potência de saída do laser, reduzida ainda pelas perdas no trem óptico do sistema de controle de feixe e na atmosfera. O tamanho do ponto do feixe laser sobre o alvo tem muitos contribuintes. A difração óptica estabelece a área mínima do ponto em aproximadamente (Rλ/D)², em que R é a distância ao alvo, λ é o comprimento de onda do feixe laser e D é o diâmetro do telescópio de apontamento. A melhoria só pode ser obtida reduzindo a distância ao alvo, usando um laser de comprimento de onda menor ou aumentando o telescópio de apontamento. Essa área ideal do ponto (limitada pela difração) é inatingível em um sistema real. Contribuintes adicionais para a área real do ponto incluem um feixe laser menos que perfeito (qualidade de feixe maior que um), a vibração mecânica do sistema de controle de feixe, vinda do rastreador, dos sistemas de alinhamento ou da perturbação do movimento da base, e as distorções atmosféricas por turbulência ou por "blooming" térmico. Cada um desses contribuintes para a área do ponto do feixe laser serve para reduzir a irradiância, espalhando a potência do laser sobre uma área maior. A Figura 10 é um desenho esquemático da parte articulada de um sistema de controle de feixe e é usada para ilustrar as funções básicas de servocontrole. Um telescópio de rastreamento e um sensor óptico são montados sobre o suporte de elevação sobre azimute. Sua finalidade é gerar uma imagem eletrônica do alvo e enviá-la ao rastreador. Esse rastreador é um computador de finalidade especial que processa a imagem do alvo, identifica o ponto de mira desejado e mede o ângulo entre ele e o eixo óptico do telescópio. Sua saída é um comando aos suportes para girar até que o eixo óptico do telescópio de rastreamento esteja seguindo o alvo e apontando para o ponto de mira. Se os suportes estiverem montados sobre uma plataforma em movimento ou que vibra, essas perturbações introduzem erros adicionais de rastreamento. Diferentemente do movimento do alvo, essa perturbação do movimento da base pode ser medida diretamente por giroscópios e acelerômetros presos ao telescópio. Esse conjunto, chamado Unidade de Referência Inercial (IRU), fornece um comando adicional aos suportes, que estabiliza o telescópio e melhora a capacidade do rastreador de medir os erros de movimento do alvo. O HEL, mostrado simplesmente como uma caixa neste esquema, fornece o feixe da arma a um telescópio de apontamento, que é então alinhado mecanicamente (eixo óptico tornado paralelo) com o telescópio de rastreamento. Por fim, a distância ao alvo precisa ser medida para que se aplique uma correção de paralaxe ao telescópio de apontamento. Isso inclina ligeiramente seu eixo óptico para que cruze o eixo óptico do telescópio de rastreamento na distância do alvo e assim coloque o feixe HEL no ponto de mira. 13

Nota editorial: Explica o tamanho mínimo do ponto do feixe por difração, os fatores que o degradam (qualidade do feixe, vibração, turbulência) e o funcionamento do apontamento e do rastreamento.

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UNCLASSIFIED/ fFOA. OFFICIAL WSE er•tv completely in the vacuum of space, there is obviously no need for target loop adaptive optics. The measure of a beam control system's performance is its ability to maximize the HEL beam's average irradiance (watts/cm 2) in the focused spot on the aim point and maintain it there while sufficient fluence (watts/cm 2 x time or joules/cm 2) is accumulated. The total power in this focused spot is typically about one-half of the laser's output power further reduced by losses in the beam control system's optical train and the atmosphere. The laser beam's spot size on the target has many contributors. Optical diffraction establishes the spot's minimum area at approximately (RA/D)2 where R is the range to the target, 'A, is the laser beam's wavelength and D is the diameter of the pointing telescope. Improvement can be only achieved by reducing the range to the target, using a laser with shorter wavelength or increasing the pointing telescope's size. This ideal (diffraction limited) spot area, is unachievable in a real system. Additional contributors to the actual spot area include a less-than-perfect laser beam (beam quality greater than one), mechanical jitter of the beam control system from the tracker, the alignment systems, or base motion disturbance and atmospheric distortions from turbulence or thermal blooming. Each of these contributors to the laser beam spot's area serve to reduce the irradiance by spreading the laser power over a larger area. Figure 10 is a cartoon of the gimbaled portion of a beam control system and is used to illustrate basic servo control functions. A tracking telescope and optical sensor are mounted on the elevation over azimuth gimbal. Their purpose is to generate an electronic image of the target and send it to the tracker. This tracker is a special­ purpose computer which then processes the target image, identifies the desired aim point and measures the angle between it and the optical boresight of the telescope. Its output is a command to the gimbals to rotate until the optical axis of the tracking telescope is following the target and pointing at the aim point. If the gimbals are mounted on a moving or vibrating platform, these disturbances introduce additional tracking errors. Unlike target motion, this base motion disturbance can be directly measured using gyros and accelerometers which are attached to the telescope. This package, called an Inertial Reference Unit (IRU), provides an additional command to the gimbals which stabilizes the telescope and improves the tracker's ability to measure target motion errors. The HEL, shown simply in this cartoon as a box, provides the weapon beam to a pointing telescope which is then mechanically boresighted (optical axis made parallel) to the tracking telescope. Finally, the range to the target must be measured so that a parallax correction can be applied to the pointing telescope. This slightly tilts its optical axis to intersect the tracking telescope's optical axis at the range of the target and thus place the HEL beam on the aim point. UNCLASSIFIED/ fFOA QFFl€1AL WSE 8NLY 13

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TRECHO 11 · PÁGINA FÍSICA 19

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] [Figura 10. Esquema do conjunto articulado: sensor, erro, rastreador, eletrônica de estabilização, suporte (gimbal) e alvo, com a linha de visada até o alvo.] Figura 10. Controles básicos de rastreamento e apontamento de uma arma HEL O conceito descrito acima e ilustrado na Figura 10 foi usado nos sistemas de controle de feixe até a década de 1980. Naquele momento, havia o desejo de sistemas de maior desempenho, com telescópios de apontamento maiores, mas com menor vibração. Esse conjunto conflitante de requisitos (telescópios mais maciços e frequências ressonantes estruturais mais altas) foi resolvido pela primeira vez no Diretor de Feixe Sealite (SLBD) mostrado na Figura 11. Em vez de prender a IRU aos telescópios de apontamento e de rastreamento e depois tentar estabilizá-los mecanicamente, a IRU foi montada de forma frouxa dentro do telescópio de apontamento. Usando uma referência óptica presa à IRU, sua medição da perturbação do movimento da base foi retransmitida aos sensores de alinhamento óptico do SLBD, que comandaram pequenos espelhos de direcionamento rápido para estabilizar o feixe HEL. O grande telescópio pôde então sofrer a perturbação do movimento da base, ainda que o feixe HEL que o atravessa estivesse estabilizado. [Figura 11. Fotografia do diretor de feixe Sealite.] Figura 11. Diretor de feixe Sealite 14

Nota editorial: Descreve o diretor de feixe Sealite, que estabiliza o feixe com uma unidade inercial e espelhos rápidos, e traz o esquema de rastreamento e apontamento.

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UNCLASSIFIED/ fFOA: OFFI€1.t.k YSE &P•tv - • - ·0 sensor -· -· -· sensor _ . - • \ 0 error .-............................................. Tracker Stabilization Electronics • 0 0target Gimbal Figu re 10. HEL Weapon Basic Tracking and Pointing Controls The concept described above and illustra ted in Figure 10 was used for beam control systems unt il the 1980s. At that point, t here was a desire for higher performance systems using larger pointing telescopes but with lower jitter. This conflicting set of requireme nts (mo re massive telescopes and higher structura l resonant frequencies) was firs t resolved in the Sealite Beam Directo r (SLBD) shown in Figure 11. I nstead of attac hing the IRU to the point ing and track ing telescopes the n attemp ting to mechanically stabilize them, the I RU was loosely mounted inside the pointing te lescope. Using an optica l refere nce attached to the IRU, its measurement of base motio n dist urbance was relayed to the SLBD's optical alignment sensors which commanded small fast steering mirrors to stabilize the HEL beam. The large telescope was then allowed to Figure 11. Sealite Beam Director exper ience the base moti on disturbance even though the HEL beam passing th rough it was stabil ized. UNCLASSIFIED/ fFOA OFFI€l.t.k YSE 8,.L\f 14

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TRECHO 12 · PÁGINA FÍSICA 2

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] Estado da Arte e Evolução das Armas Laser de Alta Energia Preparado por: Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) Escritório de Alerta de Defesa Diretoria de Análise Agência de Inteligência de Defesa Autor: AAP Person 79 Nota administrativa AVISO DE DIREITOS AUTORAIS: não é autorizada a divulgação adicional das fotografias desta publicação. Este produto faz parte de uma série de relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2009 no âmbito do Programa de Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados (AAWSA) do Escritório de Alerta de Defesa da Agência de Inteligência de Defesa. Comentários ou perguntas sobre este documento devem ser dirigidos a AAP Person 1, gerente do Programa AAWSA, Agência de Inteligência de Defesa, ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC 20340-5100. ii

Nota editorial: Expediente: identifica a divisão da DIA que preparou o estudo, o autor com nome substituído por código, a ligação com o programa AAWSA e o aviso de direitos autorais sobre as fotografias.

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UNCLASSIFIED//5QA QFFl&i,.l YSE BHL1/ State of the Art and Evolution of High-Energy Laser Weapons Prepared by: Acquisition Support Division (DW0-3) Defense Warning Office Directorate for Analysis Defense Intelligence Agency Author: AAP Person 79 Administrative Note COPYRIGHT WARNING: Further dissemination of the photographs in this publication is not authorized. This product is one in a series of advanced technology reports produced in FY 2009 under the Defense Intelligence Agency, Defense Warning Office's Advanced Aerospace Weapon System Applications (AAWSA) Program. Comments or questions pertaining to this document should be addressed to!AAP Person 1 l AAWSA Program Manager, Defense Intelligence Agency, ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC 20340-5100 . UNCLASSIFIED//J;QA GFJ;IGlifil W&& 8HlV ii

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TRECHO 13 · PÁGINA FÍSICA 20

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] A baixa atmosfera é um meio difícil para propagar um feixe laser. As moléculas que compõem a atmosfera e os aerossóis nela suspensos podem espalhar e absorver a luz, reduzindo o número de fótons que chegam ao alvo. Esses efeitos são chamados, em conjunto, de "extinção atmosférica". A canalização atmosférica (ducting) pode curvar o feixe laser (isso causa miragens), e a turbulência atmosférica ou o blooming térmico (explicado adiante) podem alargar o ponto. Esses efeitos se combinam para reduzir a irradiância do feixe (medida em watts/cm²) sobre o alvo e sua eficácia. Alguns são quase independentes do comprimento de onda, enquanto outros podem variar de forma dramática com pequenas mudanças de comprimento de onda. Como resultado, o comprimento de onda de uma arma laser que opera na baixa atmosfera precisa ser escolhido com cuidado. O espalhamento ocorre quando fótons atingem moléculas ou aerossóis na atmosfera e são refletidos para fora da direção do alvo. Esse efeito é comumente observado em bruma ou neblina, mas sempre existe, mesmo no céu mais limpo. Por exemplo, até 50 a 75 por cento da energia de um feixe laser podem ser perdidos ao longo de um trajeto de 10 km na baixa atmosfera, em um dia razoavelmente claro. Dentro de limites razoáveis, essa redução de fótons que chegam ao alvo pode ser compensada aumentando a potência do laser ou reduzindo a distância ao alvo. As perdas por espalhamento variam muito lentamente com mudanças de comprimento de onda; os comprimentos de onda mais longos (infravermelho) são menos afetados que os mais curtos (visível), como se vê na curva verde da Figura 12. A absorção ocorre quando moléculas ou aerossóis na atmosfera absorvem parte dos fótons. Esse fenômeno, causado por interação ressonante, depende muito fortemente do comprimento de onda e pode variar em ordens de grandeza com mudanças de comprimento de onda de uma fração de mícron (curva vermelha na Figura 12). A extinção (a soma de absorção e espalhamento) é mostrada pela curva amarela na Figura 12 e, para um laser de baixa potência, não há diferença aparente, pois ambos os efeitos simplesmente reduzem o número de fótons que atingem o alvo. No entanto, se energia suficiente for absorvida no trajeto do feixe laser (ao usar um laser de alta potência), ele aquece ligeiramente, o que causa distorção e desfocalização do feixe. Esse efeito é chamado de blooming térmico e pode ser um limite significativo ao desempenho de um sistema laser da classe de MW baseado na baixa atmosfera. Foi uma razão importante (além do desejo de eliminar os produtos químicos) pela qual a Marinha abandonou o desenvolvimento de armas laser químicas de DF para autodefesa, situação em que o blooming térmico é pior. Pela Figura 12, vê-se que os comprimentos de onda em torno de 1 µm, 1,2 µm, 1,6 µm e 2,2 µm oferecem as janelas de menor absorção. Infelizmente, não existiam lasers da classe de MW nesses comprimentos de onda e nenhum candidato era aparente. Por isso, a Marinha iniciou o desenvolvimento da tecnologia FEL, que pode ser sintonizada em qualquer comprimento de onda óptico ou infravermelho desejado. 15

Nota editorial: Explica o espalhamento, a absorção e o blooming térmico como perdas de um feixe laser na atmosfera e por que a Marinha dos EUA passou a pesquisar lasers de elétrons livres.

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UNCLASSIFIED/ fFOA. OFFICIAL WSE er•tv The lower atmosphere is a difficult medium through which to propagate a laser beam. The molecules which make up the atmosphere and the aerosols which are suspended in it can scatter and absorb light, reducing the number of photons which arrive at the target. These effects are collectively referred to as "atmospheric extinction." Atmospheric ducting can bend the laser beam (this causes mirages), and atmospheric turbulence or thermal blooming (explained later) can enlarge the spot. These effects combine to reduce the beam's irradiance (measured in watts/cm 2) on the target and its effectiveness. Some are almost independent of wavelength while others can vary dramatically with small changes in wavelength. As a result, the wavelength for a laser weapon which operates in the lower atmosphere must be carefully chosen. Scattering occurs when photons strike molecules or aerosols in the atmosphere and are reflected away from the target direction. This effect is commonly observed in haze or fog but always exists, even in the clearest of skies. For example, as much as 50 to 75 percent of a laser beam's energy can be lost over a 10 km lower atmosphere path on a fairly clear day. Within reasonable limits, this reduction in photons reaching the target can be accommodated by increasing the laser power or reducing the range to the target. The losses due to scattering vary quite slowly with changes in wavelength; longer (infrared) wavelengths are less affected than shorter (visible) as can be seen from the green curve in Figure 12. Absorption occurs when molecules or aerosols in the atmosphere absorb some of the photons. This phenomenon, caused by resonant interaction, is very strongly dependent on wavelength and can vary by orders of magnitude with wavelength changes of a fraction of a micron (red curve in Figure 12). Extinction (the sum of absorption and scattering) is shown by the yellow curve in Figure 12 and for a low-power laser, there is no apparent difference as both effects simply reduce the number of photons which strike the target. However, if enough energy is absorbed in the laser beam's path (when using a high-power laser), it heats slightly which causes a distortion and defocusing of the laser beam. This effect is called thermal blooming and can be a significant limit on the performance of a lower atmosphere based MW-class laser system. It was a key reason (beyond the desire to eliminate chemicals) why the Navy abandoned development of DF chemical laser weapons for self-defense where thermal blooming is at its worst. One can see from Figure 12 that wavelengths around 1 µm, 1.2 µm, 1.6 µm and 2.2 µm offer the lowest absorption windows. Unfortunately, no MW-class lasers existed at those wavelengths and no candidates were apparent. For this reason, the Navy began the development of FEL technology which can be tuned to any desired optical or infrared wavelength. UNCLASSIFIED/ fFOA QFFl€1AL WSE 8NLY 15

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TRECHO 14 · PÁGINA FÍSICA 21

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] [Figura 12. Gráfico da absorção e do espalhamento atmosféricos típicos no infravermelho, com curvas de espalhamento (verde), absorção (vermelha) e extinção (amarela) em função do comprimento de onda.] Figura 12. Absorção e espalhamento atmosféricos típicos no infravermelho Breve história da pesquisa de armas laser do Departamento de Defesa O Departamento de Defesa começou a financiar pesquisas em lasers de alta energia logo após a invenção do laser, em 1960, quando se pensava que eles poderiam (se escaláveis para alta potência) ter impacto tremendo sobre a maneira de travar guerras. A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada (ARPA) liderou o caminho com estudos sobre o uso de lasers em aplicações estratégicas, como antissatélite e anti-ICBM, enquanto cada uma das forças começou a examinar aplicações táticas mais modestas e a construir demonstradores únicos. Em meados da década de 1970, o Exército havia colocado um laser de dióxido de carbono (CO2) de 50 kW, com diretor de feixe de 40 cm, em um veículo de esteiras chamado Unidade Tática Móvel (MTU) e havia derrubado pequenas aeronaves-alvo não tripuladas. A Força Aérea colocou um laser de CO2 maior em um KC-135 (o Laboratório de Laser Aerotransportado, ou ALL) e, no início dos anos 1980, o usou para derrubar mísseis ar-ar como o AIM-9. Ver Figuras 13 e 14. 16

Nota editorial: Início da história da pesquisa de lasers de alta energia no Departamento de Defesa e relato de abates de alvos aéreos pelo Exército e pela Força Aérea nos anos 1970 e 1980.

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UNCLASSIFIED/ fFOA OFFl&I.t.k YSE &P•tv Figure 12. Typical Atmospheric Absorption and Scattering in the Infrared Brief History of DoD Laser Weapon Research The Department of Defense began funding research in high energy lasers soon after the invention of the laser in 1960 when it was thought that they might (if scalable to high power) have tremendous impact on how wars were fought. The Advanced Research Projects Agency led the way with studies on the use of lasers for strategic applications, such as anti-satellite and anti-ICBM, while each of the services began looking at more modest tactical applications and began building one-of-a-kind demonstrators. By the mid-1970's, the Army had placed a 50 kW carbon-dioxide (CO2) laser with a 40 cm beam director in a tracked vehicle called the Mobile Tactical Unit (MTU) and had shot down small drone aircraft. The Air Force placed a larger CO2 laser in a KC-135 (the Airborne Laser Laboratory or ALL) and, by the early 1980's, had used it to shoot down air-to-air missiles such as the AIM-9. See Figures 13 and 14. UNCLASSIFIED/ fFOA OFFI&I.t.k YSE 8,.L\f 16

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TRECHO 15 · PÁGINA FÍSICA 22

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] [Figura 13. Fotografia da Unidade Tática Móvel do Exército. Figura 14. Fotografia do Laboratório de Laser Aerotransportado da Força Aérea.] Figura 13. Unidade Tática Móvel do Exército Figura 14. Laboratório de Laser Aerotransportado da Força Aérea Em 1973, determinou-se que uma nova tecnologia de laser químico, baseada em fluoreto de deutério (DF), era escalável para alta potência em comprimentos de onda de infravermelho médio, que se propagam muito melhor na atmosfera que os feixes de laser de CO2. A Marinha e a ARPA construíram em conjunto um laser da classe de várias centenas de kW e o acoplaram a um diretor de feixe de 70 cm. Em março de 1978, esse sistema integrado conseguiu destruir em voo mísseis antitanque TOW operacionais. A Marinha usou então essa tecnologia para produzir o primeiro banco de testes de arma HEL da classe de MW do país. O Laser Químico Avançado de Infravermelho Médio (MIRACL, Figura 15) e o Diretor de Feixe Sealite (SLBD, Figura 11) foram instalados e integrados no Campo de Provas de Mísseis de White Sands em meados da década de 1980 e usados em experimentos do Departamento de Defesa. Drones subsônicos e mísseis de vários Mach, assim como propulsores de ICBM presos ao solo, estavam entre os muitos alvos atacados com sucesso. 17

Nota editorial: Relata os testes do laser químico de DF e do MIRACL contra mísseis e outros alvos, com as fotografias da Unidade Tática Móvel e do avião-laboratório.

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UNCLASSIFIED/ f FOA OFFI€il.t .k YSE &P•t v Figure 13. Army Mobile Tactical Unit Figure 14. Air Force Airborne Laser Laboratory In 1973, a new chemical laser technology, based on deuterium fluoride (DF), was determined to be scalable to high power at mid- infrared wavelengths which propagate far better in the atmosphere than CO2 laser beams. The Navy and ARPA jointly built a multi-hundred-kW class laser and mated it with a 70 cm beam director. In March 1978, this integrated system succeeded destroying operational TOW anti-tank missiles in flight. The Navy then used this technology to produce the nation's first MW-class HEL weapon test bed. The Mid-lnfraRed Advanced Chemical Laser (MIRACL, Figure 15) and the Sealite Beam Director (SLBD, Figure 11) were installed and integrated at White Sands Missile Range in the mid-1980s and used for experiments by the Department of Defense. Subsonic drones and multi-mach missiles as well as strapped down ICBM boosters were among the many targets successfully engaged. UNCLASSIFIED/ fFOA QFFI&I.t.k YSE 8,.L\f 17

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TRECHO 16 · PÁGINA FÍSICA 23

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] [Figura 15. Fotografia do Laser Químico Avançado de Infravermelho Médio.] Figura 15. Laser Químico Avançado de Infravermelho Médio Em 1983, o presidente Reagan fez seu discurso da "Guerra nas Estrelas", que resultou no início da Iniciativa de Defesa Estratégica (SDI) e no começo de um conjunto muito ambicioso de programas de tecnologia HEL, que chegou a um bilhão de dólares por ano. Esses esforços produziram avanços significativos, mas não resultaram na implantação de nenhuma arma nem de sistemas de demonstração importantes. Em meados da década de 1990, a SDI (então Agência de Defesa contra Mísseis) havia encerrado quase todos os seus programas HEL para concentrar-se melhor no desenvolvimento de mísseis. O único programa HEL da MDA que sobreviveu é o Laser Aerotransportado (ABL), que consumiu de US$ 200 milhões a US$ 500 milhões por ano na última década. Seu objetivo é instalar um sistema de laser químico de oxigênio e iodo (COIL) da classe de MW em um Boeing 747-400F (Figura 16), para demonstrar a interceptação na fase de impulsão de ICBMs e IRBMs. 18

Nota editorial: Resume os programas da Iniciativa de Defesa Estratégica e o Laser Aerotransportado em uma aeronave 747, com a fotografia do MIRACL.

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UNCLASSIFIED/ fFOA OFFl&I.t.k YSE &P•tv Figure 15. Mid-Infared Advanced Chemical Laser In 1983, President Reagan gave his "Star Wars" speech which resulted in the initiation of the Strategic Defense Initiative (SDI) and the start of a very ambit ious set of HEL technology programs which peaked at a billion dollars per year. These efforts produced significant advances but did not result in the fielding of any weapons or major demonstration systems. By the mid-1990s, SDI (then the Missile Defense Agency) had term inated almost all of the ir HEL programs to better focus on missile development. The sole surviving MDA HEL program is the Airborne Laser (ABL) which has accounted for $200M to $500M/yr over the last decade. Its purpose is to place a MW-class chemical oxygen-iodine laser (COIL) system in a Boeing 747-400F (Figure 16) to demonstrate boost phase intercept of ICBMs and IRBMs. UNCLASSIFIED/ fFOA QFFI&I.t.k YSE 8,.L\f 18

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TRECHO 17 · PÁGINA FÍSICA 24

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] [Figura 16. Fotografia do Laser Aerotransportado da MDA em um Boeing 747-400F.] Figura 16. Laser Aerotransportado da MDA em um Boeing 747-400F Também em meados da década de 1990, a Marinha concluiu que os comprimentos de onda do laser de DF não se propagariam de forma adequada para uso como armas no mar e iniciou o desenvolvimento da tecnologia de laser de elétrons livres, para abrir oportunidades de propagação mais favoráveis na região de comprimentos de onda do infravermelho próximo. Até hoje, a tecnologia FEL foi demonstrada no nível de potência média de 10 kW, e a ampliação financiada pela Marinha continua, com objetivo final na classe de MW. Atualmente, as três forças estão desenvolvendo tecnologias de laser de estado sólido de placa e de fibra para apoiar armas de tamanho modesto, de curto prazo, na classe de 100 kW. Elas deveriam ser capazes de atacar alvos táticos de curto alcance, como veículos aéreos não tripulados, foguetes, artilharia, morteiros e embarcações em enxame. A Força Aérea e o Comando de Operações Especiais (SOCOM) instalaram e estão testando um banco de testes de sistema de arma laser química em um C-130, chamado Laser Tático Avançado, para avaliar a utilidade de acrescentar um laser à aeronave de ataque AC-130J (Figura 17). 19

Nota editorial: Descreve a pesquisa naval em lasers de elétrons livres e os ensaios do laser tático em um C-130, com a expectativa de sistemas de estado sólido de 100 kW.

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UNCLASSIFIED/ fFOA OFFl&I.t.k YSE &P•tv Figure 16. MDA Airborne Laser in a Boeing 747-400F Also in the mid-1990s, the Navy concluded that the DF laser wavelengths would not propagate adequately for use as weapons at-sea and began the development of free­ electron laser technology to open more favorable propagation opportunities in the near­ infrared wavelength region. To-date, FEL technology has been demonstrated at the 10 kW average power level and Navy-funded scale up continues with an ultimate goal at the MW-class. Currently, all three services are developing solid-state slab and fiber laser technologies to support modest size, near-term, 100 kW-class weapons. These should be capable of engaging short range tactical targets such as UAVs, rockets, artillery, mortars, and swarming boats. The Air Force and the Special Operations Command (SOCOM) installed and are testing a chemical laser weapon system test-bed in a C-130, called the Advance Tactical Laser, to evaluate the utility of a laser addition to the AC-130] gunship (Figure 17). UNCLASSIFIED/ fFOA QFFI&I.t.k YSE 8,.L\f 19

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TRECHO 18 · PÁGINA FÍSICA 25

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] [Figura 17. Fotografia da aeronave C-130 do Laser Tático Avançado.] Figura 17. Aeronave C-130 do Laser Tático Avançado Interação laser-material A radiação laser, com exceção da de pulso ultracurto, danifica os materiais ao depositar calor rapidamente na superfície do alvo. O campo de efeitos e letalidade do laser estuda essa interação em níveis que vão da física básica da transferência de energia até a forma como alvos militares específicos (como mísseis ou projéteis de morteiro) poderiam ser derrotados. A interação de um feixe laser com materiais típicos de alvos, como metal, cerâmica ou fibra de vidro, pode variar bastante com parâmetros como o comprimento de onda do laser, o nível de irradiância, a preparação da superfície do material e o fluxo de ar. A dureza de um material à radiação laser costuma ser descrita pelo parâmetro "W", em unidades de joules/cm³. É uma medida da energia total (em joules) necessária para fundir ou remover um centímetro cúbico de material nas condições específicas do teste. Ao longo das últimas três décadas, uma grande variedade de materiais foi testada com lasers de CO2, DF e (mais recentemente) Nd:YAG. Embora os resultados específicos costumem ser classificados, podem-se fazer observações gerais sobre as classes típicas de materiais usados em aeronaves e espaçonaves. Uma grande variedade de metais é usada em aplicações como revestimentos de mísseis, tanques de combustível pressurizados, invólucros de eletrônicos e elementos estruturais. O acoplamento do laser pode variar muito, de poucos por cento a quase 100 por cento, conforme o comprimento de onda do laser, o tipo de metal, a preparação da superfície e a temperatura. Se não estiver sob carga estrutural, a falha costuma ocorrer por fusão completa. Se a peça metálica estiver sob carga aerodinâmica ou fizer parte de um vaso de pressão, a falha costuma ocorrer por início e propagação de trincas bem antes da queima completa. O fluxo de ar é benéfico, pois fornece remoção do material fundido e cargas aerodinâmicas. A energia total que faria uma placa metálica ou um vaso de pressão falhar depende da espessura de modo bastante linear. 20

Nota editorial: Explica como o laser danifica materiais por aquecimento e diferencia a fusão de metais sem carga da falha por trincas sob carga estrutural, com a fotografia do C-130 do Laser Tático Avançado.

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UNCLASSIFIED/ fFOA OFFl&I.t.k YSE &P•tv Figure 17. The Advanced Tactical Laser C-130 Aircraft Laser-Material Interaction Laser radiation, with the exception of ultra-short pulse, damages materials by rapidly depositing heat on the target's surface. The field of laser effects/lethality studies this interaction at levels ranging from basic energy transfer physics to how specific military targets (such as missiles or mortar shells) could be defeated. The interaction of a laser beam with typical target materials such as metal, ceramic or fiberglass can vary significantly with parameters such as laser wavelength, irradiance level, material surface preparation and airflow. A material's hardness to laser radiation is frequently described using the parameter "W" in units of joules/cm 3. This is a measure of the total energy (in joules) required to melt or remove one cubic cm of material under the specific conditions of the test. Over the past three decades, a wide variety of materials have been tested using a CO2, DF and (more recent ly) Nd:YAG lasers. Although specific results are usually classified, general observations can be offered about typical material classes used in aircraft and spacecraft. A wide variety of metals are used for applications such as missile skins, pressurized fuel tanks, electronics enclosures, and structural members. Laser coupling can vary quite widely, from a few percent to almost 100 percent, depending on the laser wavelength, type of metal, surface preparation, and temperature. If not under structural load, failure is usually from complete melt-through. If the metal piece is under aerodynamic load or is part of a pressure vessel, failure will typically occur from crack initiation and propagat ion well before complete burn-through. Airflow is beneficial, providing melt removal and aerodynamic loads. The total energy which would cause a metal plate or pressure vessel to fail is thickness dependent in a fairly linear fashion. UNCLASSIFIED/ fFOA OFFI&I.t.k YSE 8,.L\f 20

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TRECHO 19 · PÁGINA FÍSICA 26

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] Estruturas avançadas de fuselagem, vasos de pressão e radomes são frequentemente fabricados com fibras de vidro cortadas ou camadas de tecido de fibra de vidro inteiro impregnadas com resina epóxi. Esses materiais normalmente falham por uma combinação de ablação térmica do epóxi e delaminação. Como nos metais, se a peça estiver sob carga aerodinâmica ou fizer parte de um vaso de pressão, a falha costuma ocorrer antes da queima completa, embora o início e a propagação de trincas sejam menos prováveis devido à resistência residual do tecido de fibra de vidro depois que o epóxi é removido. Também como nos metais, a energia necessária para a penetração depende da espessura. Materiais cerâmicos, de composição semelhante à do comum Corning Ware, são usados rotineiramente em aplicações de alta temperatura, como radomes de mísseis ar-ar de vários Mach ou componentes de motores. Embora projetados para suportar calor quando absorvido lentamente, eles racham e se estilhaçam se sofrerem choque térmico em níveis moderados de irradiância. Devido à baixa condutividade térmica dos materiais cerâmicos, uma peça espessa de cerâmica se estilhaça com praticamente os mesmos níveis de irradiância e fluência que uma peça muito mais fina. Uma discussão sobre a interação laser-material exige informação de base sobre os riscos de lesão ocular causada por radiação laser. Há um equívoco popular de que existem comprimentos de onda de laser "seguros para os olhos" no infravermelho. A realidade é que qualquer comprimento de onda no ultravioleta, no visível ou no infravermelho pode danificar o olho ou a pele. Os mecanismos e os limiares de dano, no entanto, dependem do comprimento de onda do laser, da duração do pulso e da energia do pulso (se pulsado) ou da irradiância média (se contínuo). Os comprimentos de onda do ultravioleta, do visível e do infravermelho próximo, até cerca de 1,2 µm, são os mais perigosos. Eles atravessam com facilidade a córnea e o fluido ocular e são então focalizados na retina, onde cones e bastonetes individuais podem ser permanentemente destruídos com facilidade. Esse dano deixa a pessoa com pontos cegos localizados no campo de visão do olho. Os comprimentos de onda do infravermelho de cerca de 1 µm a cerca de 1,5 µm atravessam a córnea, mas são absorvidos pelo fluido ocular, o que resulta em aquecimento localizado. O limiar de dano nessa faixa é consideravelmente mais alto que o de dano à retina, mas em casos extremos o olho pode ser destruído. A radiação infravermelha em comprimentos de onda maiores que cerca de 1,5 µm é absorvida pela córnea e resulta em cicatrizes semelhantes às de catarata. Embora seja necessária energia consideravelmente maior para danificar a córnea do que a retina, a segurança dos olhos e da pele nesses comprimentos de onda não pode ser ignorada. Existem normas ANSI detalhadas que estabelecem a Exposição Máxima Permissível (MPE) em função do comprimento de onda e do formato do feixe, pulsado ou contínuo. A Figura 18 fornece um exemplo de valores de MPE de pulso único para diversos comprimentos de onda. 21

Nota editorial: Compara os efeitos térmicos em compósitos e cerâmicas e adverte que qualquer faixa de comprimento de onda do laser pode ferir olhos ou pele.

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UNCLASSIFIED/ fFOA. OFFICIAL WSE er•tv Advanced airframe structures, pressure vessels and radar domes are frequently fabricated using cut glass fibers or whole fiberglass cloth layers which are impregnated with epoxy resin. These materials typically fail through a combination of thermal ablation of the epoxy and delamination. Like metals, if the piece is under aerodynam ic load or is part of a pressure vessel, failure will typically occur before complete burn­ through although crack initiation and propagation is less likely due to the residual strength of the fiberglass cloth after the epoxy is removed. Also, like metals the energy required for penetration is thickness dependent. Ceramic materials, similar in composition to common Corning Ware, are routinely used in high temperature applications such as radomes for multi-mach air-to-air missiles or engine components. Although designed to handle heat when absorbed slowly, it will fracture and shatter if thermally shocked at moderate irradiance levels. Due to the poor thermal conductivity of ceramic materials, a thick piece of ceramic will shatter at almost the same irradiance and fluence levels as a much thinner piece. A discussion of laser-material interact ion requires background information on the hazards of eye damage from laser radiation. There is a popular misconception that there are "eye safe" laser wavelengths in the infrared. The reality is that any wavelength in the UV, visible or infrared can damage the eye or skin. The damage mechanisms and damage thresholds, however, are a function of the laser's wavelength, pulse length and pulse energy (if pulsed) or average irradiance (if continuous). Laser wavelengths in the UV, visible and near infrared out to about 1.2 µm are the most dangerous. These wavelengths pass easily through the cornea and ocular fluid and are then focused on the retina where individual rods and cones can easily be permanently destroyed. This damage leaves the person with localized blind spots in the eye's field of view. Infrared wavelengths from about 1 µm to about 1.5 µm pass through the cornea but are absorbed by the eye's ocular fluid which results in localized heating. The damage threshold in this wavelength range is considerably higher than for retinal damage but in extreme cases the eye can be destroyed. Infrared radiation at wavelengths longer than about 1.5 µm is absorbed by the cornea and results in scarring similar to cataracts. Although it requires considerably more energy to damage the cornea than the retina, eye and skin safety at these wavelengths cannot be ignored. There are detailed ANSI standards which establish the Maximum Permissible Exposure (MPE) as a function of wavelength and pulse/continuous beam format. Figure 18 provides an example of single pulse MPE values for a variety of wavelengths. UNCLASSIFIED/ fFOA QFFl€1AL WSE 8NLY 21

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TRECHO 20 · PÁGINA FÍSICA 27

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] [Figura 18. Gráfico com a exposição da córnea (joules/cm²) no eixo vertical e o tempo (segundos) no eixo horizontal, de 10^-15 a 10^3. Legenda: triângulos = visível; pontos cinza = infravermelho próximo. Faixas rotuladas: 500 a 700 nm; 1,05 µm a 1,15 µm; 1,2 µm a 1,4 µm; 475 nm; 400 a 450 nm; 400 a 700 nm.] Figura 18. Exposição máxima permissível a pulso único Vulnerabilidade de espaçonaves à radiação laser Objetos feitos pelo homem no espaço, estejam em órbita da Terra ou além, tripulados ou não, têm atributos que levam a vulnerabilidades singulares à radiação laser: • Vulnerabilidade do corpo inteiro: as espaçonaves operam em delicado equilíbrio térmico, que exige a manutenção de uma temperatura global, de longo prazo, bastante próxima de 70 °F para a sobrevivência de eletrônicos e de pessoal. São aquecidas pela radiação solar absorvida, pelos eletrônicos de bordo, pelos sistemas mecânicos e de propulsão, pelos sistemas internos de aquecimento, pelos sistemas internos de resfriamento e por qualquer pessoal a bordo. Por causa do vácuo circundante, a radiação de corpo negro e a ejeção de material são os únicos métodos disponíveis para remover calor. Se a radiação laser alterasse de modo permanente as características de absorção solar ou de emissão de corpo negro (chamadas de razão α/ε) de uma parte significativa da superfície externa da espaçonave, esse equilíbrio térmico poderia ser destruído, com resultados lentos, mas catastróficos. Esse dano poderia ser infligido rapidamente por uma grande arma laser baseada na Terra, se a espaçonave estivesse em órbita da Terra, ou infligido mais lentamente por uma arma laser menor que estivesse a bordo de uma espaçonave muito mais próxima. • Alternativamente, se um grande sistema laser baseado na Terra "inundasse" uma espaçonave com uma potência total de megawatts por alguns minutos (a duração típica de uma passagem em órbita baixa da Terra sobre um ponto fixo da Terra), a espaçonave poderia ser aquecida até o ponto de falha. 22

Nota editorial: Figura 18, com os limites de exposição ocular a pulsos de laser, e início dos cenários de vulnerabilidade térmica de espaçonaves.

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UNCLASSIFIED/ fFOA OFFl&I.t.k YSE &P•tv 3 10 .._ Visible 0 • Near IR "' ,-.. 10s ~ r,i QI "3 0 '-' """' QJ 500- 700 nm 1.05 µm to 1.15 1.2 µm to 1.4 400-450 nm-3I,.. .I r,i= 10 •••• ., 0 Ae, I . 'i ~ QI 400-700 nm . . t -6 •= I,.. 0 10 .: ... ... u A -15 -12 ·9 -6 -3 0 3 10 10 10 10 10 10 10 Time (seconds) Figure 18. Single Pulse Maximum Permissible Exposure Vulnerability of Spacecraft to Laser Radiation Man-made objects in space, whether in earth-orbit or beyond and manned or unmanned, have attributes which lead to unique laser radiation vulnerabilities: • Whole-body vulnerability - Spacecraft operate in a delicate thermal equilibrium which requires maintenance of an overall, long-term temperature fairly close to 70 °F for the survival of electronics and personnel. They are heated by absorbed solar radiation, onboard electronics, mechanical and propulsion systems, internal heating systems, internal cooling systems, and any personnel on-board. Because of the surrounding vacuum, black-body radiation and material ejection are the only available methods of removing heat. If laser radiation were to permanently alter the solar absorption or black-body emission characteristics (referred to as the aif. ratio) of a significant portion of the spacecraft's external surface, this thermal balance could be destroyed with slow, but catastrophic results. This damage could conceivably be inflicted rapidly from a large earth-based laser weapon, if the spacecraft were in earth orbit, or inflicted more slowly by a smaller laser weapon which was onboard a much closer spacecraft. • Alternately, if a large earth-based laser system were to flood -load a spacecraft with a total power of megawatts for a few minutes (the typical duration of a low-earth orbit pass over a fixed location on earth), the spacecraft could potentially be heated to the point of failure. UNCLASSIFIED/ fFOA OFFI&I.t.k YSE 8,.L\f 22

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TRECHO 21 · PÁGINA FÍSICA 28

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] • Vulnerabilidade de componentes: todas as espaçonaves têm componentes essenciais que ficam expostos e potencialmente suscetíveis à radiação laser. Painéis solares, pela frente ou por trás, poderiam ser danificados ou entrar em curto-circuito. A cablagem entre os painéis solares e entre a espaçonave e os painéis poderia ser danificada. Se o mecanismo que mantém os painéis solares apontados para o Sol fosse danificado, os painéis não poderiam ser girados e perderiam eficiência. Da mesma forma, as antenas usadas para comunicação ou navegação são suscetíveis, assim como seus cabos de radiofrequência e de energia e os mecanismos que as mantêm apontadas. Muitas espaçonaves usam sensores ópticos para localizar estrelas, o Sol ou o horizonte da Terra para navegação ou determinação de atitude. A perda de qualquer desses tipos de sensores poderia afetar significativamente a espaçonave e poderia ser causada com relativa facilidade por uma arma laser média ou grande baseada na Terra, se a espaçonave estivesse em órbita da Terra, ou por um sistema laser menor a bordo de outra espaçonave. • Penetração estrutural: uma vulnerabilidade singular das espaçonaves tripuladas é a exigência de manter uma atmosfera interna adequada. Se a porção de vaso de pressão da espaçonave fosse penetrada, mesmo em uma área pequena, isso poderia ser fatal. O projeto e a operação de qualquer espaçonave devem considerar essas vulnerabilidades se houver preocupação com dano por radiação laser. Além da modelagem térmica e do projeto e blindagem cuidadosos, componentes, materiais e tratamentos de superfície candidatos poderiam ser testados quanto à suscetibilidade à radiação laser em laboratórios do governo ou, de forma independente, pela compra de lasers comerciais. Projeção da capacidade futura de armas HEL Lasers químicos: depois que os processos físicos foram razoavelmente compreendidos e considerados escaláveis, sistemas de laser químico da classe de MW foram rapidamente alcançados no final da década de 1970 e continuam sendo a única fonte desse nível de potência. Desde então, a tecnologia amadureceu, o que resultou em melhorias marginais de eficiência, com probabilidade muito baixa de novos avanços importantes nessa área. Não há razões de primeiros princípios pelas quais as potências de saída não pudessem ter sido escaladas por força bruta, por mais uma década, com geradores de ganho maiores, mas algumas razões práticas (além do custo) impediram que isso acontecesse: • A propagação atmosférica eficiente de feixes de laser químico de mais de 10 MW teria exigido telescópios de apontamento de mais de 10 metros, o que é irrazoável para qualquer aplicação militar móvel ou portátil (inclusive navios). • As únicas aplicações militares possíveis que não sofrem limitações de propagação atmosférica são as baseadas no espaço, mas o peso, o volume e a taxa de consumo de produtos químicos tornariam isso também irrazoável e inacessível. • Havia melhores escolhas de comprimento de onda (e de tipos de laser potenciais) para aplicações concebíveis não militares, como o envio de energia por feixe à Lua ou a espaçonaves em órbita da Terra e a propulsão de espaçonaves assistida por laser. Lasers de estado sólido e de elétrons livres: o impulso atual (e provavelmente previsível) no desenvolvimento de lasers e no escalonamento de potência deve ocorrer na área dos lasers alimentados por eletricidade. Isso provavelmente será verdade quer o sistema laser seja baseado na Terra ou no espaço. Eles incluem os de estado sólido (de placa e de fibra), assim como os FELs. 23

Nota editorial: Enumera os componentes de espaçonaves expostos à radiação laser e as hipóteses de dano estrutural, e discute as restrições práticas dos lasers químicos no espaço.

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UNCLASSIFIED/ fFOA. OFFI€il.t.L YSE er•tv • Component vulnerability - All spacecraft have essential components which are exposed and potentially susceptible to laser radiation. Solar panels, from either the front or back, could be damaged or shorted. Cabling among the solar panels and between the spacecraft and the panels could be damaged. If the mechanism which keeps the solar panels pointed at the sun were damaged, then the panels couldn't be rotated and would lose efficiency. Similarly, antennas used for communications or navigation are susceptible along with their RF/power cables and the mechanisms which keep them pointed. Many spacecraft use optical sensors to locate stars, the sun, or the earth's horizon for navigation or attitude determination. The loss of any of these types of sensors could significantly affect the spacecraft and could be accomplished fairly easily by a medium-to-large earth-based laser weapon if the spacecraft were in earth orbit or by a smaller laser system which was onboard another spacecraft. • Structural penetration - A unique vulnerabi lity of manned spacecraft is the requirement to maintain a suitable internal atmosphere. If the pressure-vessel port ion of the spacecraft were penetrated, even in a small area, it could prove fatal. The design and operation of any spacecraft should consider these vulnerabilities if damage from laser radiation is a concern. In addition to thermal modeling and careful design/shielding, candidate components, materials, and surface treatments could be tested for laser radiation susceptibility in government laboratories or independently by purchasing commercial lasers. Projection of Future HEL Weapon Capability Chemical Lasers - Once the physical processes were reasonably well understood and determined to be scalable, MW-class chemical laser systems were quickly achieved by the late-1970s and still remain the sole source of that power level. Since then, the technology has matured which resulted in marginal efficiency improvements with very low probability major addit ional breakthroughs in this area. There are no first­ principles reasons why output powers could not have been brute -force scaled upward by another decade using larger gain generators but a few practical reasons (in addition to cost) precluded that happening: • Efficient atmospheric propagation of 10+ MW chemical laser beams would have required 10+ meter pointing telescopes which are unreasonable for any mobile or portable (including ships) military applications. • The only possible military applications which don't suffer atmospheric propagation limitations are space-based however the weight, volume and consumption rate of chemicals would cause this to also become unreasonable and unaffordable. • There were better wavelength choices (and potential laser types) for conceivable non-mil itary applications such as power beaming to the moon or spacecraft in earth orbit and laser assisted propulsion of spacecraft. Solid-State and Free-Electron Lasers - The current (and probably foreseeable future) thrust in laser development and power scaling should be expected in the area of electrically powered lasers. This will probably be true whether the laser system is earth-based or space-based. These include solid-state (slab & fiber) as well as FELs. UNCLASSIFIED/ fFOA QFFI€il.t.L YSE 8,.L\f 23

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TRECHO 22 · PÁGINA FÍSICA 29

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] As razões são que eles evitam combustíveis separados (e geralmente perigosos) para transportar ou reabastecer e permitem a propagação em comprimentos de onda favoráveis para uso a partir da Terra ou no espaço. Além do progresso significativo em sistemas de laser compactos, robustos, confiáveis e eficientes para espaçonaves, serão necessários grandes desenvolvimentos em geração e armazenamento de energia. Pode-se esperar que esses lasers tenham eficiência global "de tomada" de 25 por cento, o que exige, no mínimo, quatro vezes a potência de saída do laser em potência primária para gerar o feixe laser. Um laser de estado sólido de MW exigiria pelo menos 4 MW de potência elétrica enquanto estivesse emitindo. Se um ciclo de trabalho baixo fosse admissível, boa parte da energia de emissão necessária poderia ser acumulada a partir de uma fonte de potência primária menor e armazenada em baterias, capacitores ou volantes de inércia. Além da energia necessária para sustentar a emissão, a energia residual (3 MW, no caso de um laser de MW com 25 por cento de eficiência), na forma de calor, precisa ser armazenada e depois removida da espaçonave. Os lasers de estado sólido serão o candidato ideal para potências na faixa de sub-MW a MW, devido à sua robustez e relativa simplicidade. Um FEL seria o principal candidato para potências bem acima de um MW. Esse tipo de laser se presta melhor à remoção de calor do meio de ganho do que um laser de estado sólido. Essa capacidade de um FEL de ser escalado para potências maiores vem com considerável complexidade adicional e com a exigência de cerca de um MW de potência contínua para manter um grande sistema de refrigeração criogênica, que resfria a cavidade de nióbio do acelerador com hélio líquido a 2 K. O desenvolvimento futuro de materiais supercondutores adequados, de temperatura mais alta, pode atenuar essa exigência. O armazenamento e a remoção de calor de qualquer desses lasers alimentados eletricamente podem revelar-se uma tarefa mais exigente que a geração da potência primária necessária para a emissão. A Tabela 1 fornece uma estimativa da irradiância que diversos sistemas laser espaciais potenciais poderiam proporcionar. Ela supõe um comprimento de onda de 1 µm, um telescópio transmissor de 1 metro de diâmetro e uma qualidade de feixe do sistema de cerca de 1,5. Se o telescópio transmissor fosse aumentado para 3 metros de diâmetro, a mesma irradiância seria entregue a 3 vezes a distância. 24

Nota editorial: Calcula a demanda de eletricidade e a rejeição de calor de um laser espacial hipotético de estado sólido e compara com o laser de elétrons livres.

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UNCLASSIFIED/ fFOA. OFFICIAL WSE er•tv The reasons are that they avoid separate (and usually hazardous) fuels to carry/refuel and allow propagat ion at wavelengths that are favorable for use from the earth or in space. In addition to significant progress in compact, rugged, reliable and efficient laser systems for spacecraft, major developments in energy generation and storage will be needed. These lasers might be expected to have an overall "wa ll plug" efficiency of 25 percent, which requires at least four times the laser output power in prime power to generate the laser beam. A MW solid-state laser would require at least 4 MW of electrical power while lasing. If a low duty-cycle were allowable, much of the required lasing energy could be accumulated from a smaller prime-power source and stored in batteries, capacitors or flywheels . I n addition to the energy required to support lasing, the residual energy (3 MW from a 25 percent effic ient MW laser) in the form of heat must be stored and then removed from the spacecraft. Solid-state lasers will be the optimum candidate for power in the sub-MW to MW range due to their rugged ness and relative simplicity. An FEL would be the prime candidate for power well above a MW. This type of laser lends itself better to heat removal from the gain medium than a solid-state laser. This ability of an FEL to be scaled to higher power comes with considerable additional complexity and a requirement for about a MW of continuous power to maintain a large cryogen ic refrigerat ion system which cools the niobium accelerator cavity wit h liquid helium at 2K. The future development of appropriate higher tempe rature superconducting materia ls may lessen this requirement. The storage and removal of heat from any of these electr ically powered lasers may prove to be a more stressing task than generatio n of the required prime power for lasing. Table 1 provides an esti mate of the irrad iance that vari ous potential space-based laser systems could provide. It assumes a wavelengt h of 1 µm, a transm itting telescope of 1 meter diameter and a system beam quality of about 1.5. I f the tra nsmitt ing telescope were increased to 3 meter diamete r, the same irradiance would be delivered at 3 times the range. UNCLASSIFIED/ fFOA QFFl€1AL WSE 8NLY 24

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TRECHO 23 · PÁGINA FÍSICA 3

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] Sumário Resumo ... v Introdução ... 1 Atributos básicos das armas de energia cinética e das armas HEL ... 1 Elementos de uma arma HEL ... 2 Dispositivos laser ... 3 Fundamentos do laser ... 3 Lasers químicos ... 5 Lasers de estado sólido ... 6 Lasers de barra e de placa ... 7 Lasers de fibra ... 8 Lasers de pulso ultracurto ... 10 Lasers de elétrons livres ... 11 Controle de feixe e propagação atmosférica dos dispositivos laser ... 12 Breve história da pesquisa de armas laser do Departamento de Defesa ... 16 Interação laser-material ... 20 Vulnerabilidade de espaçonaves à radiação laser ... 22 Projeção da capacidade futura de armas HEL ... 23 Recomendações ... 25 Fontes de informação adicional ... 26 Figuras Figura 1. Utilidade das armas KE e HEL ... 2 Figura 2. Elementos de um sistema de arma HEL ... 3 Figura 3. Conceito básico de laser ... 4 Figura 4. Gerador de ganho cilíndrico para laser químico de HF baseado no espaço ... 5 Figura 5. Lasers de estado sólido comuns e seus comprimentos de onda ... 6 Figura 6. Combinação incoerente de lasers monomodo no alvo ... 9 iii

Nota editorial: Primeira página do sumário e da lista de figuras, que mostra os temas do estudo: tipos de laser, controle de feixe, propagação na atmosfera, interação com materiais e vulnerabilidade de espaçonaves.

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UNCLASSIFIED/ fFOA OFFI€il.t.k YSE &P•tv Contents Summary ................................................................................................................. v Introduction ............................. .............................................................................. 1 Basic Attributes of Kinetic Energy and HEL Weapons ......................................... 1 Elements of an HEL weapon ............................................................................... 2 Laser Devices ......................................................................................................... 3 Laser Fundamentals ........................................................................................... 3 Chemical Lasers ................................................................................................. 5 Solid-State Lasers .............................................................................................. 6 Rod and Slab Lasers ........................................................................................... 7 Fiber Lasers ....................................................................................................... 8 Ultra-Short Pulse Lasers .................................................................................. 10 Free-Electron Lasers ........................................................................................ 11 Beam Control and Atmospheric Propagation of Laser Devices .............................. 12 Brief History of DoD Laser Weapon Research ....................................................... 16 Laser-Material Interaction ................................................................................... 20 Vulnerability of Spacecraft to Laser Radiation ...................................................... 22 Projection of Future HEL Weapon Capability ........................................................ 23 Recommendations ................................................................................................ 25 Sources of Further Information ............................................................................ 26 Figures Figure 1. Utility of KE and HEL Weapons ................................................................. 2 Figure 2. Elements of an HEL Weapon System ........................................................ 3 Figure 3. Basic Laser Concept ................................................................................. 4 Figure 4. Cylindrical Gain Generator for HF Chemical Space Based Laser ............... 5 Figure 5. Common Solid-State Lasers and Their Wavelengths ................................ 6 Figure 6. Incoherent Combination of Single Mode Lasers at the Target .................. 9 UNCLASSIFIED/ fFOA OFFI€il.t.k YSE 8,.LY iii

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TRECHO 24 · PÁGINA FÍSICA 30

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] Tabela 1: Cálculos de irradiância de sistemas laser Distância (km) | Potência do laser (MW) | Área do ponto (cm^2) | Irradiância (kW/cm^2) 1000 | 10 | 50000 | 0,1 350 | 10 | 500 | 1 350 | 1 | 50000 | 0,1 100 | 1 | 500 | 1 100 | 0,1 | 500 | 0,1 35 | 0,1 | 50 | 1 10 | 0,1 | 5 | 10 Esses níveis de irradiância mostram o que poderia ser entregue com potências de laser de 100 kW a 10 MW em distâncias de 10 a 1.000 km. Isso abrange uma ampla faixa de potências realistas e de distâncias potenciais de engajamento. A eficácia dessas irradiâncias contra projetos candidatos de espaçonaves precisará ser determinada por meio de análises e experimentos. Recomendações Se houver preocupações com a potencial vulnerabilidade de futuras espaçonaves à radiação laser, as recomendações a seguir são oferecidas: • Os componentes ópticos, como os sensores de horizonte, devem ter seus telescópios defletidos e blindados para impedir a entrada de luz espalhada fora do eixo. Obturadores frontais podem ser instalados e mantidos fechados quando o sensor não estiver em uso ou se for detectada energia óptica em excesso. • As antenas devem ser feitas com a máxima refletividade a comprimentos de onda do ultravioleta, do visível e do infravermelho próximo. Devem ter também a maior massa térmica possível. Cabos coaxiais e linhas de energia devem ficar dentro de blindagens. • As células solares são mais difíceis de proteger, embora alguns tipos sejam mais tolerantes à radiação laser e à sobrecarga térmica que outros. Devem ser ligadas de modo que um curto-circuito ou circuito aberto em uma área não desative as demais. Os cabos devem ser blindados. • As janelas devem ter coberturas e, possivelmente, revestimentos que reflitam os comprimentos de onda de laser preocupantes. Obturadores que se fechem automaticamente se for detectada radiação laser também podem ser úteis. 25

Nota editorial: Tabela com estimativas de irradiância de sistemas laser espaciais hipotéticos, a diferentes distâncias e potências, seguida das primeiras recomendações de proteção de espaçonaves.

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UNCLASSIFIED/ fFOA. OFFI€il.t.L YSE er•tv Table 1: Laser Systems lrradiance Calculations Spot Range Laser Power Area lrradiance (km) (MW) (cmA2) (kW/cmA2) 1000 10 50000 0.1 350 10 500 1 350 1 50000 0.1 100 1 500 1 100 0.1 500 0.1 35 0.1 50 1 10 0.1 5 10 These irradiance levels show what could be delivered with laser powers from 100 kW to 10 MW at ranges from 10 to 1,000 km. This spans a wide range of realistic powers and potentia l engagement ranges. The effectiveness of these irradiances against candidate spacecraft designs will need to be determ ined through analyses and experiments. Recommendations If there are concerns about the potential vulnerability of future spacecraft to laser radiation, then the following recommendations are offered: • Optical components, such as horizon sensors, should have their telescopes baffled and shielded to preclude the entrance of off-axis scattered light. Front shutters can be installed and kept closed when the sensor is not in use or if excess optical energy is detected. • Antennas should be made with maximum reflectivity to UV, visible and near IR wavelengths. They should also have as much thermal mass as possible. Coax cables and power lines should be inside shields. • Solar cells are more difficult to protect although some types are more tolerant of laser radiation and thermal overload than others. They should be wired such that a short or open in one area does not disable others. Cables should be shielded. • Windows should have covers and potentially be coated to reflect laser wavelengths of concern. Shutters that close automat ically if laser radiation is detected might also be useful. UNCLASSIFIED/ fFOA QFFI€il.t.L YSE 8,.L\f 25

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TRECHO 25 · PÁGINA FÍSICA 31

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] • As tintas de controle térmico aplicadas à superfície da espaçonave devem tolerar o aquecimento por laser e não alterar suas características. • A estrutura da espaçonave deve ser projetada para ser o mais resistente possível à penetração de energia laser. • Materiais e abordagens de projeto potenciais devem ser avaliados por testes de resistência ao dano por laser. Isso pode ser feito com lasers disponíveis comercialmente ou com instalações de teste do governo disponíveis. Fontes de informação adicional Apenas uma sociedade profissional nos Estados Unidos está centrada no desenvolvimento de armas e tecnologias de laser de alta energia e de micro-ondas de alta potência: a Directed Energy Professional Society (DEPS). Essa organização realiza uma variedade de conferências a cada ano, voltadas a diversos aspectos das armas de energia dirigida. Todas as conferências têm partes não classificadas, e algumas têm sessões classificadas. Além disso, cursos introdutórios ou de temas especiais, de meio dia ou de dia inteiro, são frequentemente ministrados antes do primeiro dia das reuniões. Exemplos de conferências da DEPS a cada ano são dados abaixo; mais informações podem ser obtidas em seu site (www.DEPS.org): • Simpósio de Sistemas de Energia Dirigida. • Conferência de Programas e Capacidades de Energia Dirigida. • Revisão de Tecnologia de Laser de Estado Sólido e de Diodo. • Oficina de Lasers de Pulso Ultracurto. • Conferência de Teste e Avaliação de Energia Dirigida (copatrocinada pela International Test & Evaluation Association). • Simpósio Anual de Energia Dirigida. Outras sociedades (dos EUA e estrangeiras) têm conferências e publicações relacionadas aos campos gerais de lasers e ótica. Dois exemplos principais: • SPIE (originalmente Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers), que realiza muitas conferências por ano e patrocina um grande evento chamado "Photonics West". Seu site é www.spie.org. • O American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) realiza uma conferência anual de primavera sobre Controle de Feixe. Seu site é www.aiaa.org. • O Air Force Institute of Technology (www.afit.edu) oferece um curso pela internet sobre tecnologia e sistemas de armas HEL. 26

Nota editorial: Últimas recomendações de proteção de espaçonaves contra o aquecimento por laser e lista de sociedades profissionais e cursos sobre energia dirigida.

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UNCLASSIFIED//FOR OFFICIO! P!Sli 0111.¥ • The thermal control paints applied to the spacecraft's surface should be tolerant of laser heating and not change their characteristics . • The spacecraft structure should be designed to be as resistant as possible to penetration of laser energy. • Potential materials and design approaches should be evaluated by testing for resistance to laser damage. This can be done using commercially availab le lasers or using available government testing facilities. Sources of Further Information Only one professional society in the United States is centered on development of high­ energy laser and high-power microwave weapons and technologies: the Directed Energy Professional Society (DEPS). This organizat ion holds a variety of conferences each year focused on various aspects of directed energy weapons. All of the conferences have portions that are unclassified, and some have classified sessions. Additionally, half-day and full-day introductory or special topic courses are frequently taught prior to the first day of the meetings. Examples of DEPS conferences each year are given below; further information can be obtained from its website (www.DEPS.org): • Directed Energy Systems Symposium. • Directed Energy Programs and Capabilities Conference. • Solid-State and Diode Laser Technology Review. • Ultrashort Pulse Laser Workshop. • Directed Energy Test & Evaluation Conference (cosponsored with the International Test & Evaluation Association). • Annual Directed Energy Symposium. Other societies (U.S. and foreign) have conferences and publications related to the general fields of lasers and optics. Two major examples are: • SPIE (originally the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers) who have many conferences annually and sponsor a major event called "Photonics West" . Their web site is www.spie.org. • American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) has an annual spring conference on Beam Control. Their web site is www.aiaa.org. • Air Force Institute of Technology (www.afit.edu) offers a web-based course on HEL weapon technology and systems. UNCLASSIFIED/ fFOA OFFI&I.t.k Y&&: 8,.k\f 26

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TRECHO 26 · PÁGINA FÍSICA 4

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] Figura 7. Combinação incoerente de lasers monomodo em um combinador de fibras ... 9 Figura 8. Ondulador de laser de elétrons livres ... 11 Figura 9. Elementos do FEL de 2 kW do Thomas Jefferson National Accelerator Facility ... 12 Figura 10. Controles básicos de rastreamento e apontamento de uma arma HEL ... 14 Figura 11. Diretor de feixe Sealite ... 14 Figura 12. Absorção e espalhamento atmosféricos típicos no infravermelho ... 16 Figura 13. Unidade Tática Móvel do Exército ... 17 Figura 14. Laboratório de Laser Aerotransportado da Força Aérea ... 17 Figura 15. Laser Químico Avançado de Infravermelho Médio ... 18 Figura 16. Laser Aerotransportado da MDA em um Boeing 747-400F ... 19 Figura 17. Aeronave C-130 do Laser Tático Avançado ... 20 Figura 18. Exposição máxima permissível a pulso único ... 22 Tabelas Tabela 1. Cálculos de irradiância de sistemas laser ... 25 iv

Nota editorial: Continuação da lista de figuras e tabelas, com os demonstradores históricos, as aeronaves e a tabela de irradiância do estudo.

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UNCLASSIFIED/ fFOA. OFFI€il.t.L YSE er•tv Figure 7. Incoherent Combination of Single Mode Lasers in a Fiber Combiner ....... 9 Figure 8. Free-Electron Laser Wiggler .................................................................. 11 Figure 9. Elements of the 2 kW FEL at Thomas Jeffereson National Accelerator Facility .................................................................................................. 12 Figure 10. HEL Weapon Basic Tracking and Pointion Controls .............................. 14 Figure 11. Sealite Beam Director ......................................................................... 14 Figure 12. Typical Atmospheric Absorption and Scattering in the Infrared .......... 16 Figure 13. Army Mobile Tactical Unit .................................................................... 17 Figure 14. Air Force Airborne Laser Laboratory .................................................... 17 Figure 15. Mid-Infared Advanced Chemical Laser ................................................. 18 Figure 16. MDA Airborne Laser in a Boeing 747-400F .......................................... 19 Figure 17. The Advanced Tactical Laser C-130 Aircraft .......... ..... ...... .............. ...... 20 Figure 18. Single Pulse Maximum Permissible Exposure ...................................... 22 Tables Table 1. Laser Systems Irradiance Calculations ....... ...................................... ...... 25 UNCLASSIFIED/ fFOA QFFI€il.t.L YSE 8,.L\f iv

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TRECHO 27 · PÁGINA FÍSICA 5

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] Estado da Arte e Evolução das Armas Laser de Alta Energia Resumo O laser foi inventado em 1960, há apenas 49 anos, e (junto com o diodo emissor de luz) tornou-se parte essencial da vida cotidiana moderna, de maneiras que não poderiam ter sido previstas. No lado militar, também houve avanços incríveis em tecnologias de laser e de controle de feixe, mas nenhuma implantação de armas de alta energia. Muitos conceitos foram desenvolvidos e perseguidos, apenas para serem descartados ou adiados por imaturidade técnica, custo de produção esperado, falta de utilidade aparente ou preocupações logísticas. O impedimento técnico mais significativo à implantação pode ter sido a grande quantidade de produtos químicos caros e perigosos exigida pelos únicos lasers de alta potência média disponíveis. Isso está mudando agora, com os avanços recentes em lasers alimentados por eletricidade (tanto de estado sólido quanto de elétrons livres). À medida que esses dispositivos amadurecerem nas próximas décadas, eles permitirão armas militares práticas em níveis de potência que vão de quilowatts a megawatts. Essa evolução pode ser um pouco retardada ou limitada nos Estados Unidos se houver preocupações de política quanto ao uso de novos tipos de armas ou quanto à militarização do espaço. Como exemplo, o Departamento de Defesa desenvolveu um dispositivo de micro-ondas para controle de multidões, chamado Active Denial, que se mostrou capaz de produzir dor temporária sem nenhuma lesão. No entanto, o Departamento de Defesa foi impedido de empregá-lo por preocupações de política (não jurídicas). Outros países podem não demonstrar contenção semelhante, como mostra a comercialização aberta de armas laser de cegamento, apesar de uma convenção de Genebra de 1980 proibir seu desenvolvimento ou uso. O espaço oferece o ambiente ideal para a propagação de um feixe laser: não há atmosfera que atenue ou espalhe o feixe. Como resultado, grandes distâncias poderiam ser vencidas rapidamente, com o alcance limitado pelo tamanho do telescópio transmissor e com os mecanismos de dano potenciais limitados principalmente pela potência de saída do laser. Armas laser iniciais em espaçonaves são concebíveis nos próximos 20 anos, com potencial de crescimento posterior da potência do laser e do tamanho do telescópio transmissor. O tamanho do telescópio transmissor seria limitado pelo tamanho da espaçonave e pelas demandas concorrentes por peso e volume. A potência do laser poderia chegar à faixa de megawatts à medida que a tecnologia de estado sólido e de elétrons livres amadurecer, mas a principal limitação à capacidade de arma de uma espaçonave pode vir a ser sua capacidade de gerar e armazenar a energia exigida pelo laser e de armazenar e dissipar o calor residual resultante. v

Nota editorial: Resumo do estudo: afirma que, em 2010, nenhuma arma laser de alta energia havia sido implantada e projeta sistemas elétricos e espaciais nas próximas décadas.

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UNCLASSIFIED/ f FOA OFFI€il.t .k YSE &P•t v State of the Art and Evolution of High-Energy Laser Weapons Summary The laser was invented in 1960, only 49 years ago, and (along with the light ­ emitting diode) has evolved into an esse ntial part of our modern every-day life in ways that could not have been foreseen. On the military side, there have also been incredible advances in laser and beam control technolog ies but no deployment of any high-energy weapons . Many concepts have been developed and pursued, only to be discarded or deferred owing to technical immaturity, expected production cost , lack of apparent utility , or logistics concerns . The most significant technical impediment to deployment may have been the large quantities of expensive and hazardous chemicals that were required by the only available high-average-power lasers. This is now changing with recent advances in electrically powered lasers (both solid-state and free­ electron lasers). As these devices mature over the next few decades, they will enable practical military weapons at power levels ranging from kilowatts to megawatts. This evolution may be somewhat slowed or limited in the United States if there are policy concerns about the use of new types of weapons or about weaponization of space. As an example, the Department of Defense developed a microwave device for crowd control, called Active Denial, which has been shown to produce temporary pain without any injury. However, DoD was precluded from deploying it owing to policy (not legal) concerns. Other countries may not exhibit similar restraint, as evidenced by the open marketing of laser-blinding weapons despite a 1980 Geneva Convention prohibiting their development or use. Space offers the ideal environment for laser beam propagation; there is no atmosphere to either attenuate or spread the beam. As a result, large distances could be bridged quickly, with range limited by the size of the transmitting telescope and the potential damage mechanisms limited primarily by the laser's output power. Initial spacecraft laser weapons are conceivable within the next 20 years, with the potential for follow-on growth in laser power and transmitting telescope size. Transmitting telescope size would be limited by the spacecraft size and competing demands for weight and volume. Laser power could grow to the megawatt range as solid-state and free­ electron laser technology matures, but the major limitation to a spacecraft's weapon capability may prove to be its ability to generate and store the energy required by the laser and to store and dissipate the resultant waste heat. UNCLASSIFIED/ fFOA QFFI&I.t.k YSE 8,.L\f V

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TRECHO 28 · PÁGINA FÍSICA 6

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] Introdução O objetivo deste relatório é oferecer uma visão geral do estado da arte atual e da evolução potencial das armas laser de alta energia (HEL) da classe de megawatt (MW). Serão tratadas as implicações para veículos espaciais em órbita da Terra ou além dela. Hoje é raro encontrar alguém que não tenha alguma ideia de uma arma laser. Dos invasores marcianos de Orson Welles em A Guerra dos Mundos, que as usavam com eficiência assustadora, aos hoje clássicos filmes Star Wars, as capacidades atribuídas a esses dispositivos cresceram com o tempo e com a imaginação dos escritores. Embora a maior parte das descrições ficcionais de armas laser (e muitas reportagens) não tenha base sólida, esses dispositivos oferecem de fato o potencial para uma classe totalmente nova de armas e capacidades, que podem complementar (mas não substituir) as armas de energia cinética (KE) e a guerra eletrônica existentes. ATRIBUTOS BÁSICOS DAS ARMAS DE ENERGIA CINÉTICA E DAS ARMAS HEL As armas KE (balas, projéteis, mísseis, bombas e assim por diante) exigem um período finito de tempo para chegar ao alvo, mas depois são capazes de destruí-lo instantaneamente. Podem entregar quantidades imensas de energia explosiva e destruir grandes áreas. Isso faz das armas KE as mais eficazes para atacar alvos blindados, grandes ou parados. Preocupações com danos colaterais, como um alvo desejado ao lado de um hospital, forças inimigas perto de forças amigas ou um atirador de elite em meio a uma multidão, podem limitar significativamente a oportunidade de usar armas KE. Alvos que se movem de forma aleatória também representam um desafio para as armas KE, devido à dificuldade de prever a posição do alvo no instante futuro da chegada ou de rastreá-lo com precisão suficiente. As armas laser de alta energia (HEL), por contraste, começam a entregar a energia do feixe ao alvo à velocidade da luz. No entanto, exigem um tempo de permanência finito para acumular energia térmica (calor) suficiente no ponto de mira para alcançar o efeito desejado (de modo semelhante a um maçarico). A força de uma arma HEL é sua capacidade de entregar com precisão uma quantidade limitada de energia a um ponto pequeno, com pouco dano colateral a objetos ou pessoas próximos. A medida instantânea da eficácia de um feixe laser focalizado chama-se "irradiância" e é medida em potência por unidade de área sobre o ponto do laser (tipicamente watts/cm²). A capacidade do feixe de causar dano, por aquecimento ao longo de um intervalo de tempo, chama-se "fluência" e é tipicamente medida em joules/cm². A fluência é simplesmente a irradiância x o tempo, e um joule equivale a um watt durante um segundo. A transferência de energia à velocidade da luz, aliada ao rastreamento de precisão, permite que as armas HEL ataquem com eficiência alvos mais frágeis que sejam altamente manobráveis, visíveis apenas por curtos períodos ou situados a distâncias extremamente longas. Embora o custo inicial de uma arma laser possa ser alto, a cadeia logística é curta e o custo por disparo é comparativamente barato, já que os únicos consumíveis importantes são os produtos químicos do laser ou a eletricidade. A Figura 1 compara os pontos fortes e fracos relativos das armas KE e HEL para diferentes classes de alvos potenciais. Assim como existe grande variedade de armas KE (de balas a munições de guiagem de precisão e armas nucleares) para diferentes tipos de aplicação, pode-se imaginar uma gama de armas HEL futuras com diferentes níveis de potência, comprimentos de onda, pesos, volumes e custos, mais adequadas a aplicações específicas. 1

Nota editorial: Introdução do estudo: compara armas de energia cinética e armas laser e define irradiância, fluência e tempo de permanência.

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UNCLASSIFIED/ fFOA OFFl&I.t.k YSE &P•tv Introduction The purpose of this report is to provide an overview of the current state-of-the-art and potential evolution of megawatt (MW) class high-energy laser (HEL) weapons. Implications for space vehicles in or beyond earth orbit will be addressed. It is rare today to find an individual who doesn't have some concept of a laser weapon. From Orson Wells's Martian invaders in War of the Worlds, who used them with chilling efficiency, to the now-classic Star Wars movies, the capabilities attributed to such devices have grown with time and with writers' imagination. While most fictional depictions of laser weapons (and many news stories) are without sound basis, these devices do offer the potential for a whole new class of weapons and capabilities which may complement (but not replace) existing kinetic energy (KE) weapons and electronic warfare. BASIC ATTRIBUTES OF KINETIC ENERGY AND HEL WEAPONS KE weapons (bullets, shells, missiles, bombs, and so forth) require a finite period of time to reach the target but are then able to destroy it instantly. They can deliver immense quantities of explosive energy and destroy large areas. This makes KE weapons most effective at engaging hardened, large, or stationary targets. Collateral damage concerns, such as a desired target next to a hospital, enemy forces near friendly forces, or a sniper target in a crowd can significantly limit the opportunity to use KE weapons. Randomly moving targets also present a challenge for KE weapons due to difficulties in predicting the target's location at the future time of arrival or in tracking the target with sufficient accuracy. High Energy Laser (HEL) weapons, by contrast, begin delivering the laser beam's energy to the target at the speed of light. However, they require a finite dwell time to accumulate enough thermal energy (heat) on the aim point to achieve the desired effect (similar to a blowtorch). The strength of an HEL weapon is its ability to precisely deliver a limited quantity of energy to a small spot with litt le collateral damage to nearby objects or people. The instantaneous measure of a focused laser beam's effectiveness is called "irradiance" and is measured in power per unit area over the laser spot (typically watts/cm 2). The beam's ability to inflict damage, by heating during a time interval, is called "fluence" and is typically measured in joules/cm 2. Fluence is simply irradiance x time and one joule is equal to one watt for one second. Speed-of-light energy transfe r, coupled with precisio n tracking, allows HEL weapons to efficiently engage softer targets which are highly maneuverable, only visible for short periods of time, or at extremely long range. Although the initial cost of a laser weapon might be high, the logistics trail is short and the cost per shot is comparatively inexpe nsive since the only major expendables are laser chemicals or electricity. Figure 1 compares the relative strengths and weaknesses of KE & HEL weapons for different classes of potential targets. Just as there is a wide variety of KE weapons (ranging from bullets to precision guided munitions to nuclear weapons) for different types of applications, one could envision a range of future HEL weapons at different power levels, wavelengths, weights, volumes, and costs which would be best suited for specific applications. UNCLASSIFIED/ fFOA QFFI&I.t.k YSE 8,.L\f 1

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TRECHO 29 · PÁGINA FÍSICA 7

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] Armas HEL e armas cinéticas oferecem capacidades complementares [Figura 1. Quadro com quatro colunas de tipos de alvo. Pequenos, leves e rápidos (ofuscar ou destruir): sensores eletro-ópticos, marcação de alvos, início de incêndios, pequenos veículos aéreos não tripulados, sistemas portáteis de defesa antiaérea (manpads). Móveis e táticos: veículos, torres de celular e nós de comunicação, antenas de radar, redes elétricas, radomes cerâmicos de radiofrequência, veículos aéreos militares não tripulados, pessoas individuais, foguetes, artilharia e morteiros. Mísseis e satélites: ICBMs, IRBMs, mísseis balísticos de teatro, mísseis de cruzeiro, satélites. Blindados ou de grande área: tanques, veículos blindados, pontes, edifícios, grupos de pessoas. Abaixo, uma escala de potência do laser de 1 kW a 1 MW, rotulada "Aumentando a potência do laser ou o alcance para o mesmo efeito". Eficácia da arma laser: fácil nos alvos pequenos, média nos móveis, difícil em mísseis e satélites, impraticável nos blindados e de grande área. Eficácia da arma KE: impraticável nos alvos pequenos, média nos móveis se estiverem parados ou isolados, difícil em mísseis e satélites, fácil nos blindados e de grande área se estiverem parados ou isolados.] Figura 1. Utilidade das armas KE e HEL ELEMENTOS DE UMA ARMA HEL O objetivo de um sistema de arma HEL é colocar e manter o feixe laser focalizado sobre um ponto de mira do alvo por tempo suficiente para causar o efeito de aquecimento desejado. Para isso, o feixe da arma é gerado pelo dispositivo laser, depois moldado e conduzido até a entrada de um telescópio de apontamento (Figura 2). Sensores do feixe laser e espelhos de direcionamento são necessários para manter o feixe HEL centralizado ao percorrer o trem óptico. O telescópio de apontamento, que normalmente fica sobre suportes giratórios em azimute e elevação, expande então o feixe até o diâmetro de seu espelho primário e o focaliza na distância do alvo, enquanto um sistema de imagem (que pode usar um telescópio separado ou compartilhar o telescópio transmissor) adquire o alvo, o rastreia e aponta o feixe do telescópio transmissor para o ponto de mira desejado. Se o trajeto de propagação do feixe HEL, da arma ao alvo, inclui a atmosfera terrestre, ela pode ter um efeito deletério significativo. A absorção e o espalhamento do feixe, que reduzem sua intensidade no alvo, são causados pelos constituintes moleculares da atmosfera e por aerossóis como bruma ou poeira. Além disso, a turbulência atmosférica alarga o ponto focalizado e reduz ainda mais sua eficácia. Todos esses fatores precisam ser levados em conta no projeto de uma arma laser. 2

Nota editorial: Figura 1, que compara a utilidade de armas laser e cinéticas segundo o tipo de alvo e a potência, e texto sobre os elementos de uma arma laser e as perdas do feixe na atmosfera.

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------------------ -------------------- -------- ---------------------------------------- ------ ----------------- ----- ----- ---- ----- ----- ----- UNCLASSIFIED/ fFOA OFFl&I.t.k YSE &P•tv HEL and Kinetic Weapons offer complementary capabilities Soft/Small/Fast Moving/tactical Missiles & Hardened or E/O sensors Vehicles Satellites Large Area (Dazzle or Destroy) Cell towers & comm nodes ICBMs Tanks Target Types Target tagging Fire starting Small UAVs Radar antennas Power grids Ceramic RF radornes IRBMs TheaterBMs Cruise missiles Armored vehicles Bridges Buildings Manpads MilitaryUAVs Individua l persons Satellites Groups of people Rockets , artillery & mortars - Laser Power Increasing Laser Power or Increasing Range for Same Effect ---+ Laser 1 kW Weapon Effectiveness E asy 10kW 100kW Medium 111Ni Difficult Impractical Medium EasyKE Impractical Weapon if stationary Difficu lt If stationary if isolatedEffectiveness if isolated Figure 1. Utility of KE and HEL Weapons ELEMENTS OF AN HEL WEAPON The purpose of an HEL weapon system is to place and maintain the focused laser beam on a target aim point for sufficient time to cause the desired heating effect. To accomplish this, the weapon beam is generated by the laser device, then shaped and relayed to the input of a point ing te lescope (Figure 2). Laser beam sensors and steering mirrors are required to maintain the HEL beam centered as it traverses the optical train. The pointing telescope, which typical ly sits on azimuth and elevation gimbals, then expands the beam to the diameter of its primary mirror and focuses it to the range of the target while an imaging system (which can use a separate telescope or share the transmitt ing telescope) acquires the target, tracks it, and points the transmitti ng telescope's beam at the desired aim point. If the HEL beam's propaga tion path from t he weapon to the target includes the earth's atmosphere, it can have a significant deleterious effect. Absorption and scattering of the beam, which reduce its strength at the target, are caused by molecular constituents of the atmosphere and aerosols such as haze or dust . Additionally, atmospheric turbulence spreads the focused spot and further reduces its effectiveness. All of these factors must be taken into account when designing a laser weapon. UNCLASSIFIED/ fFOA QFFI&I.t.k YSE 8,.L\f 2

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TRECHO 30 · PÁGINA FÍSICA 8

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] [Figura 2. Esquema em cinco blocos: dispositivo laser de alta potência (com fonte de energia, escape e rastreador); ótica de alta potência e moldagem do feixe; apontador, rastreador e designador de alvo; propagação atmosférica (absorção, espalhamento e turbulência atmosféricos); alvo.] Figura 2. Elementos de um sistema de arma HEL Dispositivos laser FUNDAMENTOS DO LASER O termo "laser" é a sigla, em inglês, de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificação de luz por emissão estimulada de radiação). É um dispositivo singular que emprega os estados quânticos da matéria para armazenar e converter energia em radiação eletromagnética. A radiação resultante é chamada de "coerente", o que significa que tem um único comprimento de onda ou é "monocromática" e é altamente focalizável graças à sua fase bem controlada. Na forma mais simples, qualquer dispositivo laser pode ser visto como uma "caixa de conversão de energia" com uma entrada e duas saídas. A entrada é energia, que pode assumir várias formas (eletricidade, luz ou uma reação química) conforme o laser específico, enquanto as duas saídas são um feixe coerente e calor (Figura 3). Como o processo global de conversão de energia da emissão laser é consideravelmente menos que 100 por cento eficiente, gera-se calor residual significativo, que precisa ser retirado do laser. Dentro do laser há um "meio de ganho", que armazena uma fração da energia de entrada em seus átomos ou moléculas e depois a libera no comprimento de onda escolhido do laser. O laser contém também espelhos "ressonadores", que reenviam repetidamente o feixe para frente e para trás através do meio de ganho para aumentar seu nível de energia. O dispositivo laser funciona como o equivalente óptico de um oscilador elétrico, com a ótica do ressonador fornecendo a realimentação. Lasers diferentes, que usam materiais variados como meio de ganho, emitem radiação em comprimentos de onda que vão do infravermelho, passando pelo espectro visível, até o ultravioleta. 3

Nota editorial: Figura 2 (elementos de um sistema de arma laser) e início da descrição do funcionamento de um laser.

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UNCLASSIFIED/ fFOA OFFl&I.t.k YSE &P•tv High Power Laser High Power Optics Pointer I Tracker I Atmospheric Target Device and Beam Shaping Target Designator Propagation EXHAUST TRACKER Atmospheric , absorption, ENERGY SOURCE scattering , and turbulence Figure 2, Elements of an HEL Weapon System Laser Devices LASER FUNDAMENTALS The term "Laser" is an acronym for Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. It is a unique device that employs the quantum states of matter to store and convert energy into electromagnetic radiation. The resulting radiation is referred to as "coherent," meaning it is single wavelength or "monochromatic" and highly focusable due to its well controlled phase. In its simplest form, any laser device can be viewed as an "energy-conversion" box with one input and two outputs. The input is energy, which can take a variety of forms (electricity, light, or a chemical reaction) depending on the specific laser, while the two outputs are a coherent beam and heat (Figure 3). Since the overall energy-conversion lasing process is considerably less than 100 percent efficient, significant waste heat is generated which must be removed from the laser. Inside the laser is a "gain-medium" which stores a fraction of the input energy in its atoms or molecules and then releases the energy at the laser's selected wavelength. The laser also contains "resonator" mirrors which repeatedly relay the beam back and forth through the gain medium to increase its energy level. The laser device functions as the optical equivalent of an electrical oscillator with the resonator optics providing the feedback. Different lasers, which use various materials as their gain medium, emit radiation at wavelengths ranging from the infrared through the visible spectrum and into the ultraviolet. UNCLASSIFIED/ fFOA OFFI&I.t.k YSE 8,.L\f 3

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TRECHO 31 · PÁGINA FÍSICA 9

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[Cabeçalho e rodapé: NÃO CLASSIFICADO//USO OFICIAL EXCLUSIVO, com a segunda parte riscada no original.] [Figura 3. Esquema de um laser: fonte de energia, meio de laser (ganho), feixe laser e calor residual.] Figura 3. Conceito básico de laser Os princípios por trás do laser foram descritos pela primeira vez por Basov e Prokhorov, no Instituto de Física Lebedev, na União Soviética, em 1952. A primeira demonstração de conceito ocorreu, na verdade, em frequências de micro-ondas (24 GHz), em 1953, por Townes, Gordon e Zeiger, na Universidade Columbia. Eles chamaram seu dispositivo de MASER, de Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificação de micro-ondas por emissão estimulada de radiação). O primeiro laser em funcionamento, inicialmente chamado de "MASER óptico", produziu miliwatts de luz visível usando uma barra de rubi como meio de ganho. Isso foi feito em 1960 por Theodore Maiman, nos Hughes Research Laboratories, na Califórnia. Desde então, muitos tipos de laser encontraram usos em uma variedade extremamente ampla de aplicações, da vida cotidiana (leitores de código de barras, tocadores de CD, lanternas) à indústria (cortadores, soldadores, instrumentos de topografia, níveis) e ao uso militar (telêmetros, munições de guiagem de precisão, ofuscadores). Esses lasers mostraram-se baratos quando produzidos em grande quantidade, robustos, confiáveis e seguros. Desde os primeiros dias do laser, o Departamento de Defesa (DoD) concebeu e liderou o desenvolvimento de lasers de alta potência média para aplicações em armas. Há muitos relatos na literatura aberta de trabalhos semelhantes na Rússia, na China e em outros países. Os lasers existem hoje em uma grande variedade de formas, com muitos sólidos, líquidos, gases ou até elétrons sendo usados como meio de ganho para produzir feixes em ampla faixa de comprimentos de onda e níveis de potência. No entanto, apenas um pequeno grupo de tipos de laser mostrou potencial para produzir potências de nível de arma. 4

Nota editorial: Esquema do conceito básico de laser, breve história da invenção do laser e do maser, usos civis e militares e a limitação a poucos tipos de laser capazes de potência de arma.

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UNCLASSIFIED/ fFOA OFFl&I.t.k YSE &P•tv Energy source ( Lasing Medium Laser beam Waste heat Figure 3. Basic Laser Concept The principles behind the laser were first described by Basov and Prokhorov at the Soviet Lebedev Institute of Physics in 1952. The first concept demonstration was actually at microwave frequencies (24 GHz) in 1953 by Townes, Gordon, and Zeiger at Columbia University. They called their device a MASER for Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. The first working laser, initially called an "Optical MASER," produced milliwatts of visible light using a ruby rod as the gain medium. This was done in 1960 by Theodore Maiman at Hughes Research Laboratories in California. Since then, many types of lasers have found uses in an extremely wide variety of applications ranging from everyday life (bar code readers, CD players, flashlights), to industry (cutters, welders, surveyors, levelers), to the military (range finders, precision guided munitions, dazzlers). These lasers have proven to be inexpensive when produced in large quantity, rugged, reliable, and safe. Since the earliest days of the laser, the Department of Defense (DoD) has conceptualized and led the development of high-average-power lasers for weapon applications. There have been many open literature reports of similar work in Russia, China, and other countries. Lasers currently exist in a wide variety of forms with many solids, liquids, gases or even electrons being used for a gain medium to produce beams over a wide ra nge of wavelengths and power levels. However, only a small group of laser types have shown the potential to produce weapon level powers. UNCLASSIFIED/ fFOA QFFI&I.t.k Y&E 8,.L\f 4

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Datas e contexto documental

Acontecimento
31/03/2010 — Data de capa do relatório (D137). A data-limite de informação (ICOD) é 1º de dezembro de 2009.
Documento
31/03/2010 — Capa, página física 1.
Publicação
Não estabelecida — Liberado na série DOW-UAP do Departamento de Guerra dos EUA.

Origem e divulgação

Defense Intelligence Agency (DIA), Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3), programa AAWSAP; autor “AAP Person 79” · DOW-UAP-D137_AAWSAP-DIRD-State-of-the-Art-and-Evolution-of-High-Energy-Lasers-March-31-2010.pdf

Relatos relacionados e suas diferenças

Perguntas para continuar a investigação

  • Por que um estudo de armas laser e de proteção de espaçonaves foi encomendado no âmbito do AAWSA? O documento não explica além de ser parte da série de relatórios de tecnologia avançada do ano fiscal de 2009.
  • As previsões de 15 a 30 anos para lasers de fibra e para espaçonaves, feitas em 2010, se cumpriram? O documento indica só o horizonte; a verificação exigiria fontes posteriores.

GEOGRAFIA DO CASO

Relatório técnico, sem local de evento

Estudo técnico sem episódio nem local de observação.

RASTRO DOCUMENTAL

Volte às fontes

As referências usam páginas físicas do PDF, contando a capa. Os resumos são apresentados em português; os documentos preservam seu idioma original.

  1. DOW-UAP-D137_AAWSAP-DIRD-State-of-the-Art-and-Evolution-of-High-Energy-Lasers-March-31-2010.pdf

    Páginas físicas 1 a 31: capa, expediente, sumário, resumo, texto, tabela 1, recomendações e fontes de informação

    DOW · 31 páginas

Síntese editorial baseada no fichamento do acervo, revista em 26/09/2026. Como lemos os documentos.

UMA HISTÓRIA LEVA A OUTRA

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