1已認(rèn)識到大功率激光設(shè)備是非常適合在土木工程中應(yīng)用的一種潛在工具。它可以用來切割、打孔和焊接。比傳統(tǒng)技術(shù)，激光有以下優(yōu)點：1）無噪聲處理，2）基于熱能原理切除材料，無機械振動和反沖力，3）不需要反沖防護墻，4）因為是無接觸加工，故可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離加工，5）二次廢物少，6）易于與機器人系統(tǒng)結(jié)合，利用輕量激光頭實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。
　　綜合各方面的要求，一套適用于土木工程的激光加工系統(tǒng)應(yīng)具備：1）最低10kW的功率，2）好的光束質(zhì)量和近紅外波長，利于通過光纖傳輸，3）對電源的依賴性小，以便用于建造車載或直升飛機裝載的移動激光系統(tǒng)。
　　在各種高功率激光器中，如激光器，YAG激光器等，氧2碘化學(xué)激光器（COIL）是唯一能滿足上述要求的激光器，因為它可以連續(xù)波運轉(zhuǎn)方式輸出幾兆瓦高質(zhì)量光束，其工作波長11315Λm可通過硅光纖以極低的損耗傳輸。最重要的是，該激光系統(tǒng)不依賴于供電電源，這得益于其獨一無二的抽運機制。因此，除了真空抽運驅(qū)動外，理論上在抽運過程中不需要外部電源。如果考慮移動激光系統(tǒng)，這是氧2碘化學(xué)激光最大的優(yōu)點。反之，其他的高功率激光器或YAG激光器，則需要巨大的設(shè)備作為電源，使建造移動系統(tǒng)非常困難。
　　這項研究的最后階段是實現(xiàn)移動氧2碘化學(xué)激光系統(tǒng)，用于如核電站停運、減災(zāi)和土木工程等。過去已經(jīng)報道一些進行巖石開鑿和混凝土(泵送混凝土設(shè)備堵管故障排除)切割的實驗。然而，沒有關(guān)于氧2碘化學(xué)激光處理無機材料的數(shù)據(jù)，而這對于移動激光系統(tǒng)的概念性設(shè)計是必須的。在這項研究中，我們推導(dǎo)了氧2碘化學(xué)激光對無機材料的切割性能，以闡明移動氧2碘化學(xué)激光系統(tǒng)的可行性。
　　2切割和打孔理論
　　東海大學(xué)的氧2碘化學(xué)激光裝置并不適合激光處理實驗，因為它的最大輸出功率為500W，遠(yuǎn)小于預(yù)想實驗的假定值，且其運行周期極限僅30秒。因此我們采取如下策略：首先，進行激光打孔實驗以測定各種材料的激光2物質(zhì)相互作用參數(shù)。然后將這些參數(shù)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(jié)得到驗證。
　　2.1激光打孔模型給出激光打孔示意圖。
　　我們作如下假定以得出激光束與一些材料相互作用的一個理論模型。1）激光束假定為圓柱型，在現(xiàn)場應(yīng)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(zhuǎn)變成熱量，然后材料開始熔化，當(dāng)溫度升到材料玻璃化溫度時形成一熱點。3）然后，熱點的一部分通過氣化最終從上表面逸出。4）熱點儲存的部分熱能以恒定速率通過其表面擴散。5）因為熱損耗速率是一個常數(shù)，因此熱點的厚度不變。6）材料表面的熱輻射忽略不計。7）熱導(dǎo)率、熱擴散系數(shù)和其他系數(shù)假定與溫度無關(guān)。8）熱點內(nèi)的溫度均勻分布，并假定為玻璃化溫度。
因此，激光功率和材料內(nèi)熱量的熱平衡方程為熱點厚度（mm）。
　　等式右邊第一項代表每秒單位體積氣化損耗的凈能量。右邊第二項指由熱傳導(dǎo)引起的熱損耗。只有熱點的側(cè)表面對熱損耗有貢獻，因為從下表面?zhèn)鲗?dǎo)的熱實際上造成材料切除。為了能推導(dǎo)出特定材料的物理常數(shù)，這里Ν和Γ是僅取決于材料特性和激光波長的常數(shù)。因為這些常數(shù)可用實驗方法測定，假如等式（2）成立，我們可推導(dǎo)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，激光束移動方向與切割速率假定和打孔情況下一樣，因為這僅取決于材料的特性。另一方面，熱點側(cè)表面的前后部分熱傳導(dǎo)損耗不考慮，因為前者（和打孔情況類似）造成材料在下一時刻熔化，后者可忽略，因為在其后沒有被加工材料。因此熱僅從垂直于移動方向的側(cè)表面耗散。因此，下面的過程使我們能推導(dǎo)任意輸出功率和光束直徑下氧2碘化學(xué)激光的切割性能。
　　1）通過打孔試驗確定Ν和Γ。
　　在實際應(yīng)用中，激光束可能并不是圓柱形，而是通過透鏡會聚。被激光切除的材料為錐臺形狀，因此測得的打孔深度應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)換成等體積下的圓柱體的深度。給出會聚激光束切除物質(zhì)的幾何形狀。為確保上述方法的正確性，打孔和切割實驗都通過一臺115激光裝置進行，其運轉(zhuǎn)周期足以滿足這兩種實驗。
　　3結(jié)果與討論
　　激光對凝灰石樣品打孔實驗結(jié)果其次，在激光功率為500，1000和1500W情況下，以不同切割速率進行切割演示實驗。每次實驗后測出切槽深度，并把它定義為切割深度。切割速率對切割深度的函數(shù)關(guān)系。曲線代表理論值，實際切割和預(yù)計切割性能的比較推算出?？煽闯鰪哪Ｐ屯扑愕那懈钏俾手蹬c從實驗得到的實際值非常吻合。因此可以確定，對現(xiàn)有的氧2碘化學(xué)激光裝置進行的打孔實驗，能推算任意規(guī)模氧2碘化學(xué)激光裝置的切割性能。
　　碘化學(xué)激光器打孔實驗300W級超聲速的氧2碘化學(xué)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300W.實驗中測試了6種無機材料。第一種是從北海道采集的凝灰石。在濱豐隧道倒塌的巖石就屬于凝灰石。這種巖石廣泛分布在北海道地區(qū)，并認(rèn)為是一種危險的巖石。第二種樣品是用作鋪路的柏油混凝土，按照日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）進行的穿透實驗結(jié)果為69110mm；第三種是商用A2型混凝土，其壓縮強度為8Nmm.根據(jù)JIS標(biāo)定其規(guī)格型號為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2120和50Nmm。第五種和第六種分別為復(fù)合板和瓦，這兩種材料很容易從自選商場買到。
　　和CO激光實驗類似，材料的Ν和Γ參數(shù)可以通過打孔實驗推導(dǎo)出。作為所有實驗的結(jié)果的代表，給出了混凝土板樣品的氧2碘化學(xué)激光激光打孔實驗結(jié)果。其他樣品的打孔實驗結(jié)果。氧2碘化學(xué)激光切割機速度與激光輸出功率的函數(shù)關(guān)系。和預(yù)計的一樣，氧2碘化學(xué)激光對混凝土塊的切割性能比對混凝土板的好。由于柏油混凝土和混凝土板的主要成分基本類似，預(yù)計切割性能也應(yīng)相似。但是，我們發(fā)現(xiàn)對柏油混凝土的切割性能比混凝土板的切割性能稍好，這是因為在柏油混凝土中含有一些可燃物，如煤油。盡管巖石中僅含有極少量易燃物質(zhì)，但是對凝灰石的切割比對柏油混凝土的切割容易，因為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(jié)論
　　我們通過激光打孔實驗推算了任意功率下的氧2碘化學(xué)激光對無機材料切割的速率。利用簡化熱平衡方程推導(dǎo)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(jié)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(xiàn)10mms的切割速率。
　　這些實驗結(jié)果對移動氧2碘化學(xué)激光系統(tǒng)的概念性設(shè)計非常有益。