高功率光纖激光（千瓦以上）在最近一兩(liang) 年內(nei) 得到了迅速的發展，隨著價(jia) 格的不斷下降，功率的不斷提高（現已經達到5萬(wan) 瓦，預計最近幾年之內(nei) 有望達到50萬(wan) 瓦），其應用領域正在不斷擴大。從(cong) 室內(nei) 裝修，天然氣井鑽探，深海新能源的獲取，到核電站日常維護等諸多領域得到廣泛的應用。

在過去的八年中，GTI（氣體(ti) 開發技術研究所（美國））在使用高功率激光對岩石進行切割及粉碎等方麵進行了深入的研究。最近又對天然氣井開采中使用高功率光纖激光進行了深入的概念研究，他們(men) 采用了IPG公司生產(chan) 的5千瓦摻鐿光纖激光器，在大氣壓下及淺層近地表條件下進行了對矽酸鹽及碳酸鹽岩石的開鑿方麵的多項實驗。實驗結果包括使用較低的能量在沙岩及石灰岩上鑽孔，深度為(wei) 300毫米。成功的激光岩石切割應用開啟了許多新的工業(ye) 應用領域。

最初GTI使用了高功率軍(jun) 用激光器並取得了很多技術層麵上的成功，但由於(yu) 價(jia) 格昂貴，沒有辦法在商業(ye) 領域中推廣。GTI把重心轉向使用商用激光器，研究結果表明，工業(ye) 激光在岩石開鑿方麵完全可以與(yu) 現存機械方法達到效果相同的水平（能量水平），且具有更高的效率。

光纖激光在施工現場的應用方麵明顯優(you) 於(yu) 任何其它種類的激光，包括在開礦、隧道開鑿、切割和岩石及混凝土鑽孔等方麵。光纖激光能夠通過很長的光纖將足夠的能量傳(chuan) 輸到遠程的目標。光纖激光超高的電光轉換效率（30%），良好的光束質量，車載機動性及設備的穩定性和免維護性等特點使得它在此類應用領域裏成為(wei) 最佳的選擇。

有很多高功率光纖的應用已經在現場實用中得到認可。比如美軍(jun) 在阿富汗成功使用安裝在悍馬吉普車上的2千瓦光纖激光進行遠程爆炸物清除。Edison焊接研究所設計的4千瓦混凝土鑽孔係統對處於(yu) 美國加州地震帶上的醫院建築物的加固工程中的成功應用等。

表明光纖是最有效的激光源，效果遠遠優(you) 於(yu) 傳(chuan) 統的氣體(ti) 及固體(ti) 激光。

他們(men) 使用聚焦過的連續激光對普通采石場石灰石石料進行了穿透實驗，穿透深度>300毫米。穿孔主要是通過煆燒進行，在825 °C下CaO3分解為(wei) CaO和CO2。由於(yu) CaO的熔化溫度為(wei) 2570°C，所以CaO難以變成流體(ti) 。

同樣的穿透深度，他們(men) 對Berea沙石進行的實驗，其主要構成物為(wei) 石英沙，SiO2, 他們(men) 觀察到的最節省能源的方法是進行高溫剝落，這隻需要400-800 °C，在此溫度下，由於(yu) 較高的溫度梯度造成的溫度應力會(hui) 使得不同礦物質形成不同的膨脹，從(cong) 而導致顆粒間連接鍵的斷裂。

不同於(yu) 石灰石，當Berea石英顆粒的溫度超過1610°C時，就會(hui) 熔解。這會(hui) 導致光束的能量從(cong) 剝落轉為(wei) 熔解，使得切割效率大大降低！為(wei) 了避免熔解的發生，可以通過改變能量的傳(chuan) 輸率及切割時間，而限製在岩石中的能量累積。

在Berea岩石中使用光纖激光進行打孔的實驗

在一塊300毫米見方的Berea石料上進行的實驗。鑽孔主要用於(yu) 將鋼管嵌入吸滿液體(ti) 的岩石中，生成石油、天然氣或水的生產(chan) 通道。而傳(chuan) 統的機械方法會(hui) 對岩石結構及流體(ti) 管路造成不可修複的損壞。

實驗中他們(men) 使用了300微米的光纖，然後將其擴束為(wei) 25毫米，75psig（517Kpa）的壓縮空氣通過6.35毫米的不鏽鋼管噴嘴，其距離目標物25毫米。鏡頭及噴嘴都被固定在機器人的手臂上，並同時以22.6RPM的速度走25.4毫米的圓形軌跡。噴嘴隨著深度的增加不斷進行調整。根據以往的經驗，他們(men) 將激光的功率設為(wei) 3.2千瓦，以1分鍾連續發射激光為(wei) 一個(ge) 間隔，共發射6次，此時可以切入150毫米的深度，然後他們(men) 將實驗石塊翻轉過來，從(cong) 另外一麵用相同的方法打另外一半。結果是開鑿了一條300毫米的管道，這是至今為(wei) 止使用激光在Berea上打孔的最高記錄，管道的直徑約為(wei) 50毫米，總材料的移動量為(wei) 210cc。

從(cong) 兩(liang) 麵切割可以減小邊界效應，而他們(men) 也進行單麵的穿透實驗，但存在邊界效應，包括當接近完全穿透時，能量消耗明顯加大，熱傳(chuan) 導特性也發生了變化。這些變化在以往的實驗中也有所觀察，並同樣品的幾何形狀及實驗設置有很大的關(guan) 係。

結論展示

在所有的激光/岩石實驗中，特定能量（SE），單位體(ti) 積所需能量（KJ/cc）是一個(ge) 重要的參數。他們(men) 在切割以上300毫米的石料的SE值為(wei) 5.5KJ/cc。整個(ge) 剝落實驗所用的激光能量為(wei) 1155KJ，或0.32KWh（千瓦小時）。在管道壁上沒有觀察到礦物質熔化的痕跡，並且沒有觀測到任何損傷(shang) ，這在傳(chuan) 統的鑽孔方式是做不到的！

前景展望

進一步的研究正在進行，包括結合液體(ti) 噴射技術和超過2000psig的高壓實驗，下一步的實驗包括在孔中操作的設備原型、實驗室及野外現場施工使用。實驗的裝置將被集成於(yu) 複雜的大型鑽井完整係統之中。其它使用激光在不同的地質材料上的切割、鑽孔等的實驗結果將含蓋能源、礦產(chan) 、軍(jun) 事、國土安全、航天、建築及搶險救災等諸多領域。