IPG高功率光纤激光器在岩石及泥土材料处理中的应用

高功率光纤激光（千瓦以上）在最近一两年内得到了迅速的发展，随着价格的不断下降，功率的不断提高（现已经达到5万瓦，预计最近几年之内有望达到50万瓦），其应用领域正在不断扩大。从室内装修，天然气井钻探，深海新能源的获取，到核电站日常维护等诸多领域得到广泛的应用。

在过去的八年中，GTI（气体开发技术研究所（美国））在使用高功率激光对岩石进行切割及粉碎等方面进行了深入的研究。最近又对天然气井开采中使用高功率光纤激光进行了深入的概念研究，他们采用了IPG公司生产的5千瓦掺镱光纤激光器，在大气压下及浅层近地表条件下进行了对硅酸盐及碳酸盐岩石的开凿方面的多项实验。实验结果包括使用较低的能量在沙岩及石灰岩上钻孔，深度为300毫米。成功的激光岩石切割应用开启了许多新的工业应用领域。

最初GTI使用了高功率军用激光器并取得了很多技术层面上的成功，但由于价格昂贵，没有办法在商业领域中推广。GTI把重心转向使用商用激光器，研究结果表明，工业激光在岩石开凿方面完全可以与现存机械方法达到效果相同的水平（能量水平），且具有更高的效率。

光纤激光在施工现场的应用方面明显优于任何其它种类的激光，包括在开矿、隧道开凿、切割和岩石及混凝土钻孔等方面。光纤激光能够通过很长的光纤将足够的能量传输到远程的目标。光纤激光超高的电光转换效率（30%），良好的光束质量，车载机动性及设备的稳定性和免维护性等特点使得它在此类应用领域里成为最佳的选择。

有很多高功率光纤的应用已经在现场实用中得到认可。比如美军在阿富汗成功使用安装在悍马吉普车上的2千瓦光纤激光进行远程爆炸物清除。Edison焊接研究所设计的4千瓦混凝土钻孔系统对处于美国加州地震带上的医院建筑物的加固工程中的成功应用等。

使用激光进行岩石去除所需能量的数据对比

以上图表兰色表示Berea沙石，而褐色表示石灰石，纵坐标为去除一个CC所需要的能量（KJ）。结果表明光纤是最有效的激光源，效果远远优于传统的气体及固体激光。

他们使用聚焦过的连续激光对普通采石场石灰石石料进行了穿透实验，穿透深度>300毫米。穿孔主要是通过煅烧进行，在825 OC下CaO3分解为CaO和CO2。由于CaO的熔化温度为2570OC，所以CaO难以变成流体。

同样的穿透深度，他们对Berea沙石进行的实验，其主要构成物为石英沙，SiO2, 他们观察到的最节省能源的方法是进行高温剥落，这只需要400-800 OC，在此温度下，由于较高的温度梯度造成的温度应力会使得不同矿物质形成不同的膨胀，从而导致颗粒间连接键的断裂。

不同于石灰石，当Berea石英颗粒的温度超过1610 OC时，就会熔解。这会导致光束的能量从剥落转为熔解，使得切割效率大大降低！为了避免熔解的发生，可以通过改变能量的传输率及切割时间，而限制在岩石中的能量累积。

在Berea岩石中使用光纤激光进行打孔的实验
在一块300毫米见方的Berea石料上进行的实验。钻孔主要用于将钢管嵌入吸满液体的岩石中，生成石油、天然气或水的生产通道。而传统的机械方法会对岩石结构及流体管路造成不可修复的损坏。

实验中他们使用了300微米的光纤，然后将其扩束为25毫米，75psig（517Kpa）的压缩空气通过6.35毫米的不锈钢管喷嘴，其距离目标物25毫米。镜头及喷嘴都被固定在机器人的手臂上，并同时以22.6RPM的速度走25.4毫米的圆形轨迹。喷嘴随着深度的增加不断进行调整。根据以往的经验，他们将激光的功率设为3.2千瓦，以1分钟连续发射激光为一个间隔，共发射6次，此时可以切入150毫米的深度，然后他们将实验石块翻转过来，从另外一面用相同的方法打另外一半。结果是开凿了一条300毫米的管道，这是至今为止使用激光在Berea上打孔的最高记录，管道的直径约为50毫米，总材料的移动量为210cc。

从两面切割可以减小边界效应，而他们也进行单面的穿透实验，但存在边界效应，包括当接近完全穿透时，能量消耗明显加大，热传导特性也发生了变化。这些变化在以往的实验中也有所观察，并同样品的几何形状及实验设置有很大的关系。

结论展示
在所有的激光/岩石实验中，特定能量（SE），单位体积所需能量（KJ/cc）是一个重要的参数。他们在切割以上300毫米的石料的SE值为5.5KJ/cc。整个剥落实验所用的激光能量为1155KJ，或0.32KWh（千瓦小时）。在管道壁上没有观察到矿物质熔化的痕迹，并且没有观测到任何损伤，这在传统的钻孔方式是做不到的！

前景展望
进一步的研究正在进行，包括结合液体喷射技术和超过2000psig的高压实验，下一步的实验包括在孔中操作的设备原型、实验室及野外现场施工使用。实验的装置将被集成于复杂的大型钻井完整系统之中。其它使用激光在不同的地质材料上的切割、钻孔等的实验结果将含盖能源、矿产、军事、国土安全、航天、建筑及抢险救灾等诸多领域。