高功率光纖激光（千瓦以上）在最近一兩年內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，隨著價格的不斷下降，功率的不斷提高（現(xiàn)已經(jīng)達(dá)到5萬瓦，預(yù)計最近幾年之內(nèi)有望達(dá)到50萬瓦），其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大。從室內(nèi)裝修，天然氣井鉆探，深海新能源的獲取，到核電站日常維護(hù)等諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

    在過去的八年中，GTI（氣體開發(fā)技術(shù)研究所（美國））在使用高功率激光對巖石進(jìn)行切割及粉碎等方面進(jìn)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(jìn)行了深入的概念研究，他們采用了IPG公司生產(chǎn)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(jìn)行了對硅酸鹽及碳酸鹽巖石的開鑿方面的多項實驗。實驗結(jié)果包括使用較低的能量在沙巖及石灰?guī)r上鉆孔，深度為300毫米。成功的激光巖石切割應(yīng)用開啟了許多新的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

    最初GTI使用了高功率軍用激光器并取得了很多技術(shù)層面上的成功，但由于價格昂貴，沒有辦法在商業(yè)領(lǐng)域中推廣。GTI把重心轉(zhuǎn)向使用商用激光器，研究結(jié)果表明，工業(yè)激光在巖石開鑿方面完全可以與現(xiàn)存機(jī)械方法達(dá)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(xiàn)場的應(yīng)用方面明顯優(yōu)于任何其它種類的激光，包括在開礦、隧道開鑿、切割和巖石及混凝土鉆孔等方面。光纖激光能夠通過很長的光纖將足夠的能量傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的目標(biāo)。光纖激光超高的電光轉(zhuǎn)換效率（30%），良好的光束質(zhì)量，車載機(jī)動性及設(shè)備的穩(wěn)定性和免維護(hù)性等特點使得它在此類應(yīng)用領(lǐng)域里成為最佳的選擇。 

有很多高功率光纖的應(yīng)用已經(jīng)在現(xiàn)場實用中得到認(rèn)可。比如美軍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(jìn)行遠(yuǎn)程爆炸物清除。Edison焊接研究所設(shè)計的4千瓦混凝土鉆孔系統(tǒng)對處于美國加州地震帶上的醫(yī)院建筑物的加固工程中的成功應(yīng)用等。

    使用激光進(jìn)行巖石去除所需能量的數(shù)據(jù)對比

以上圖表蘭色表示Berea沙石，而褐色表示石灰石，縱坐標(biāo)為去除一個CC所需要的能量（KJ）。結(jié)果表明光纖是最有效的激光源，效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的氣體及固體激光。

    他們使用聚焦過的連續(xù)激光對普通采石場石灰石石料進(jìn)行了穿透實驗，穿透深度>300毫米。穿孔主要是通過煅燒進(jìn)行，在825 OC下CaO3分解為CaO和CO2。由于CaO的熔化溫度為2570OC，所以CaO難以變成流體。

    同樣的穿透深度，他們對Berea沙石進(jìn)行的實驗，其主要構(gòu)成物為石英沙，SiO2, 他們觀察到的最節(jié)省能源的方法是進(jìn)行高溫剝落，這只需要400-800 OC，在此溫度下，由于較高的溫度梯度造成的溫度應(yīng)力會使得不同礦物質(zhì)形成不同的膨脹，從而導(dǎo)致顆粒間連接鍵的斷裂。

    不同于石灰石，當(dāng)Berea石英顆粒的溫度超過1610 OC時，就會熔解。這會導(dǎo)致光束的能量從剝落轉(zhuǎn)為熔解，使得切割效率大大降低！為了避免熔解的發(fā)生，可以通過改變能量的傳輸率及切割時間，而限制在巖石中的能量累積。

    在Berea巖石中使用光纖激光進(jìn)行打孔的實驗

    在一塊300毫米見方的Berea石料上進(jìn)行的實驗。鉆孔主要用于將鋼管嵌入吸滿液體的巖石中，生成石油、天然氣或水的生產(chǎn)通道。而傳統(tǒng)的機(jī)械方法會對巖石結(jié)構(gòu)及流體管路造成不可修復(fù)的損壞。

    實驗中他們使用了300微米的光纖，然后將其擴(kuò)束為25毫米，75psig（517Kpa）的壓縮空氣通過6.35毫米的不銹鋼管噴嘴，其距離目標(biāo)物25毫米。鏡頭及噴嘴都被固定在機(jī)器人的手臂上，并同時以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(jìn)行調(diào)整。根據(jù)以往的經(jīng)驗，他們將激光的功率設(shè)為3.2千瓦，以1分鐘連續(xù)發(fā)射激光為一個間隔，共發(fā)射6次，此時可以切入150毫米的深度，然后他們將實驗石塊翻轉(zhuǎn)過來，從另外一面用相同的方法打另外一半。結(jié)果是開鑿了一條300毫米的管道，這是至今為止使用激光在Berea上打孔的最高記錄，管道的直徑約為50毫米，總材料的移動量為210cc。

從兩面<