1已認識到大功率激光設備是非常適合在土木工程中應用的一種潛在工具。它可以用來切割、打孔和焊接。比傳(chuan) 統技術，激光有以下優(you) 點：1）無噪聲處理，2）基於(yu) 熱能原理切除材料，無機械振動和反衝(chong) 力，3）不需要反衝(chong) 防護牆，4）因為(wei) 是無接觸加工，故可實現遠距離加工，5）二次廢物少，6）易於(yu) 與(yu) 機器人係統結合，利用輕量激光頭實現遠程操作。
　　綜合各方麵的要求，一套適用於(yu) 土木工程的激光加工係統應具備：1）最低10kW的功率，2）好的光束質量和近紅外波長，利於(yu) 通過光纖傳(chuan) 輸，3）對電源的依賴性小，以便用於(yu) 建造車載或直升飛機裝載的移動激光係統。
　　在各種高功率激光器中，如激光器，YAG激光器等，氧2碘化學激光器（COIL）是唯一能滿足上述要求的激光器，因為(wei) 它可以連續波運轉方式輸出幾兆瓦高質量光束，其工作波長11315Λm可通過矽光纖以極低的損耗傳(chuan) 輸。最重要的是，該激光係統不依賴於(yu) 供電電源，這得益於(yu) 其獨一無二的抽運機製。因此，除了真空抽運驅動外，理論上在抽運過程中不需要外部電源。如果考慮移動激光係統，這是氧2碘化學激光最大的優(you) 點。反之，其他的高功率激光器或YAG激光器，則需要巨大的設備作為(wei) 電源，使建造移動係統非常困難。
　　這項研究的最後階段是實現移動氧2碘化學激光係統，用於(yu) 如核電站停運、減災和土木工程等。過去已經報道一些進行岩石開鑿和混凝土(泵送混凝土設備堵管故障排除)切割的實驗。然而，沒有關(guan) 於(yu) 氧2碘化學激光處理無機材料的數據，而這對於(yu) 移動激光係統的概念性設計是必須的。在這項研究中，我們(men) 推導了氧2碘化學激光對無機材料的切割性能，以闡明移動氧2碘化學激光係統的可行性。
　　2切割和打孔理論
　　東(dong) 海大學的氧2碘化學激光裝置並不適合激光處理實驗，因為(wei) 它的最大輸出功率為(wei) 500W，遠小於(yu) 預想實驗的假定值，且其運行周期極限僅(jin) 30秒。因此我們(men) 采取如下策略：首先，進行激光打孔實驗以測定各種材料的激光2物質相互作用參數。然後將這些參數代入理論模型以推算激光切割機性能。這種方法的正確性在下節得到驗證。
　　2.1激光打孔模型給出激光打孔示意圖。
　　我們(men) 作如下假定以得出激光束與(yu) 一些材料相互作用的一個(ge) 理論模型。1）激光束假定為(wei) 圓柱型，在現場應用中，焦距和材料厚度相比很長，因此上述假定是合理的。2）部分激光通過吸收轉變成熱量，然後材料開始熔化，當溫度升到材料玻璃化溫度時形成一熱點。3）然後，熱點的一部分通過氣化最終從(cong) 上表麵逸出。4）熱點儲(chu) 存的部分熱能以恒定速率通過其表麵擴散。5）因為(wei) 熱損耗速率是一個(ge) 常數，因此熱點的厚度不變。6）材料表麵的熱輻射忽略不計。7）熱導率、熱擴散係數和其他係數假定與(yu) 溫度無關(guan) 。8）熱點內(nei) 的溫度均勻分布，並假定為(wei) 玻璃化溫度。
因此，激光功率和材料內(nei) 熱量的熱平衡方程為(wei) 熱點厚度（mm）。
　　等式右邊第一項代表每秒單位體(ti) 積氣化損耗的淨能量。右邊第二項指由熱傳(chuan) 導引起的熱損耗。隻有熱點的側(ce) 表麵對熱損耗有貢獻，因為(wei) 從(cong) 下表麵傳(chuan) 導的熱實際上造成材料切除。為(wei) 了能推導出特定材料的物理常數，這裏Ν和Γ是僅(jin) 取決(jue) 於(yu) 材料特性和激光波長的常數。因為(wei) 這些常數可用實驗方法測定，假如等式（2）成立，我們(men) 可推導任意激光功率和光斑直徑下的打孔性能。
　　2.2激光切割機模型
　　在這種情況下，激光束移動方向與(yu) 切割速率假定和打孔情況下一樣，因為(wei) 這僅(jin) 取決(jue) 於(yu) 材料的特性。另一方麵，熱點側(ce) 表麵的前後部分熱傳(chuan) 導損耗不考慮，因為(wei) 前者（和打孔情況類似）造成材料在下一時刻熔化，後者可忽略，因為(wei) 在其後沒有被加工材料。因此熱僅(jin) 從(cong) 垂直於(yu) 移動方向的側(ce) 表麵耗散。因此，下麵的過程使我們(men) 能推導任意輸出功率和光束直徑下氧2碘化學激光的切割性能。
　　1）通過打孔試驗確定Ν和Γ。
　　在實際應用中，激光束可能並不是圓柱形，而是通過透鏡會(hui) 聚。被激光切除的材料為(wei) 錐台形狀，因此測得的打孔深度應當轉換成等體(ti) 積下的圓柱體(ti) 的深度。給出會(hui) 聚激光束切除物質的幾何形狀。為(wei) 確保上述方法的正確性，打孔和切割實驗都通過一台115激光裝置進行，其運轉周期足以滿足這兩(liang) 種實驗。
　　3結果與(yu) 討論
　　激光對凝灰石樣品打孔實驗結果其次，在激光功率為(wei) 500，1000和1500W情況下，以不同切割速率進行切割演示實驗。每次實驗後測出切槽深度，並把它定義(yi) 為(wei) 切割深度。切割速率對切割深度的函數關(guan) 係。曲線代表理論值，實際切割和預計切割性能的比較推算出。可看出從(cong) 模型推算的切割速率值與(yu) 從(cong) 實驗得到的實際值非常吻合。因此可以確定，對現有的氧2碘化學激光裝置進行的打孔實驗，能推算任意規模氧2碘化學激光裝置的切割性能。
　　碘化學激光器打孔實驗300W級超聲速的氧2碘化學激光打孔實驗示意裝置如所示。在此實驗中，激光束通過一150mm的凸透鏡進行聚焦，該實驗條件下的激光最大輸出功率為(wei) 300W.實驗中測試了6種無機材料。第一種是從(cong) 北海道采集的凝灰石。在濱豐(feng) 隧道倒塌的岩石就屬於(yu) 凝灰石。這種岩石廣泛分布在北海道地區，並認為(wei) 是一種危險的岩石。第二種樣品是用作鋪路的柏油混凝土，按照日本工業(ye) 標準（JIS）進行的穿透實驗結果為(wei) 69110mm；第三種是商用A2型混凝土，其壓縮強度為(wei) 8Nmm.根據JIS標定其規格型號為(wei) A5406.第四種材料是鋪路用的混凝土板，其特征重量和壓縮強度分別為(wei) 2120和50Nmm。第五種和第六種分別為(wei) 複合板和瓦，這兩(liang) 種材料很容易從(cong) 自選商場買(mai) 到。
　　和CO激光實驗類似，材料的Ν和Γ參數可以通過打孔實驗推導出。作為(wei) 所有實驗的結果的代表，給出了混凝土板樣品的氧2碘化學激光激光打孔實驗結果。其他樣品的打孔實驗結果。氧2碘化學激光切割機速度與(yu) 激光輸出功率的函數關(guan) 係。和預計的一樣，氧2碘化學激光對混凝土塊的切割性能比對混凝土板的好。由於(yu) 柏油混凝土和混凝土板的主要成分基本類似，預計切割性能也應相似。但是，我們(men) 發現對柏油混凝土的切割性能比混凝土板的切割性能稍好，這是因為(wei) 在柏油混凝土中含有一些可燃物，如煤油。盡管岩石中僅(jin) 含有極少量易燃物質，但是對凝灰石的切割比對柏油混凝土的切割容易，因為(wei) 凝灰石的特征重量比柏油混凝土小。要達到10mms實用切割速度，切割所需的激光功率可計算得到。
　　4結論
　　我們(men) 通過激光打孔實驗推算了任意功率下的氧2碘化學激光對無機材料切割的速率。利用簡化熱平衡方程推導了描述光束和材料相互作用的理論模型，這種模型的有效性通過商用激光裝置得到驗證。推算的結果表明，對實驗所用的所有無機材料，約25kW的輸出功率即可實現10mms的切割速率。
　　這些實驗結果對移動氧2碘化學激光係統的概念性設計非常有益。