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。比傳統技術，激光有以下優點：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，故可實現遠距離加工，5）二次廢物少，6）易于與機器人系統結合，利用輕量激光頭實現遠程操作。
綜合各方面的要求，一套適用于土木工程的激光加工系統應具備：1）最低10kW的功率，2）好的光束質量和近紅外波長，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。
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可通過硅光纖以極低的損耗傳輸。最重要的是，該激光系統不依賴于供電電源，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，這是氧2碘化學激光最大的優點。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電源，使建造移動系統非常困難。
這項研究的最后階段是實現移動氧2碘化學激光系統，用于如核電站停運、減災和土木工程等。過去已經報道一些進行巖石開鑿和混凝土(泵送混凝土設備堵管故障排除)切割的實驗。然而，沒有關于氧2碘化學激光處理無機材料的數據，而這對于移動激光系統的概念性設計是必須的。在這項研究中，我們推導了氧2碘化學激光對無機材料的切割性能，以闡明移動氧2碘化學激光系統的可行性。
2切割和打孔理論
東海大學的氧2碘化學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，遠小于預想實驗的假定值，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物質相互作用參數。然后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，然后材料開始熔化，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，因此熱點的厚度不變。6）材料表面的熱輻射忽略不計。7）熱導率、熱擴散系數和其他系數假定與溫度無關。8）熱點內的溫度均勻分布，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引起的熱損耗。只有熱點的側表面對熱損耗有貢獻，因為從下表面傳導的熱實際上造成材料切除。為了能推導出特定材料的物理常數，這里Ν和Γ是僅取決于材料特性和激光波長的常數。因為這些常數可用實驗方法測定，假如等式（2）成立，我們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，熱點側表面的前后部分熱傳導損耗不考慮，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表面耗散。因此，下面的過程使我們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當轉換成等體積下的圓柱體的深度。給出會聚激光束切除物質的幾何形狀。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，其運轉周期足以滿足這兩種實驗。
3結果與討論
激光對凝灰石樣品打孔實驗結果其次，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關系。曲線代表理論值，實際切割和預計切割性能的比較推算出。可看出從模型推算的切割速率值與從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，并認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，按照日本工業標準（JIS）進行的穿透實驗結果為69110mm；第三種是商用A2型混凝土，其壓縮強度為8Nmm.根據JIS標定其規格型號為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參數可以通過打孔實驗推導出。作為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激光輸出功率的函數關系。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。由于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，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碘化學激光系統的概念性設計非常有益。
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