靈魂拷問—你眼中的雷射是什麼樣子的？
是打小怪獸的「奧特雷射「？（動感光波，BIU BIU BIU BIU~~）
還是五彩斑斕、絢麗奪目的舞檯燈光？（好奪目，好炫彩~~）
在當代科幻類影視劇裡，你可能更經常看到下面這樣的場景——
（事先聲明，咱不評價任何一部電影，只是看裡邊的鏡頭）
電影《上海堡壘》中，外來入侵者利用高能雷射束，輕而易舉地切割開了厚厚的金屬牆。
電影《蜘蛛俠·英雄歸來》中，無人機攜帶的微型雷射發射器也能發射出高能雷射束，博物館厚厚的門在它面前似乎沒有任何「反抗能力」。
看到這裡你也許會發現，雷射真的是可甜可鹽。
在工業社會，面對厚厚的金屬牆也「毫不客氣」、切之而後快的工具並不是常見的「刀槍劍戟 斧鉞鉤叉 閒棍槊棒 鞭鐧錘抓」，而是一束雷射，這束光作用於金屬之後，能迅速、準切地切開它們。
Bingo！影片裡情節設計所依據的正是「雷射切割」技術。
我們都知道「火能克金」，小夥伴是否已經好奇了——什麼是雷射切割？這束高能雷射，到底是有多高的能量？
雷射切割的原理
就是它字面的意思，雷射切割就是一種利用經聚焦的高功率密度雷射束切割材料的技術。而且，雷射切割屬於熱切割的一種。為什麼這麼說？讓我們詳細了解一下雷射切割的原理。
雷射切割系統是通過使用雷射聚焦系統，將高能雷射聚焦到材料表面，材料吸收雷射能量導致局部被加熱到熔點以上。同時，同軸高壓氣體或產生的蒸汽將熔融的金屬吹離，在材料表面產生空洞。隨著雷射沿著設定程序的移動，最終將材料切割出對應圖案的形狀。
雷射切割的類型
一般來說，雷射切割可分為雷射氣化切割、雷射熔化切割、雷射氧氣切割和雷射劃片與控制斷裂四類。這四種雷射切割方法的切割功率及功率密度不同，導致其適用於不同的場景。
01
雷射氣化切割
這種切割方法的原理是：利用高能量密度的雷射束加熱材料，當材料溫度迅速上升達到沸點後，材料迅速氣化並產生蒸氣噴出並留下切口。
材料的汽化熱一般很大，所以雷射氣化切割需要很大的功率和功率密度。因此這種切割方式多用於極薄金屬材料和非金屬材料（如紙、布、木材等）的切割。
02
雷射融化切割
這種切割方式的原理是雷射輻照導致材料熔化，與光束同軸的噴嘴噴吹有較大壓力的非氧化性氣體（Ar、He、N2等）使液態金屬排出，形成切口。
雷射熔化切割不需要使金屬完全氣化，所需能量也只有氣化切割的1/10，因此這種切割主要用於一些不易氧化的材料或活性金屬的切割，如不鏽鋼、鈦、鋁及其合金等。
03
雷射氧氣切割
雷射氧氣切割原理是用氧氣與切割金屬作用，發生氧化反應，放出大量的氧化熱，同時，被雷射熔融的材料又被氧氣從反應區吹出並形成切口。
氧化反應為放熱反應，使得這種方法所需能量只是熔化切割的1/2，但切割速度比氣化切割和熔化切割都快，所以這種切割方法主要用於一些較難切割的物料，如碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。
04
雷射劃片與控制斷裂
雷射劃片是利用高能量密度的雷射在脆性材料的表面進行掃描，使材料受熱蒸發出一條小槽，然後施加一定的壓力，脆性材料就會沿小槽裂開。雷射劃片用的雷射器一般為Q開關雷射器和CO2雷射器。
控制斷裂是利用雷射刻槽時所產生的陡峭的溫度分布，在脆性材料中產生局部熱應力，使材料沿小槽斷開。
切割機的雷射功率
常見的雷射切割機是：光纖雷射切割機和CO2雷射切割機。顧名思義，二者所使用的雷射分別來源於光纖雷射器和CO2雷射器。目前，光纖雷射器憑藉其出光功率高、光斑尺寸小等優勢，所佔市場早已遠超CO2雷射器，並仍在增長之中。
沒有數據支撐的內容未免蒼白，想知道雷射切割所用雷射功率到底有多高嗎？
接下來，來自9月17日於上海舉行的中國國際工業博覽會（簡稱：工博會）的一組數據，絕對會讓你驚呼：Oh MY GOD!
以20kW的光功率為例，如果其光纖直徑為200微米，數值孔徑為0.22，則其光功率密度將會大於1000MW/Cm^2·str-1。
而傳統的教學用雷射筆的光功率僅僅為：1-5mW，光功率密度也很小。但是就是這樣的雷射筆照射人體尤其是眼睛時，也有很大的傷害。所以一定不能讓小朋友隨意拿來玩耍呀~~
參考文獻：
1.中國國際工業博覽會CIIF.http://www.shsh-expo.com/.
2.百度百科：雷射切割.
3.趙三軍,趙水,張志強,賈斌,陳紹磊,周玉梅,姜冰,吳軍.雷射切割8 mm厚錳鋼板的工藝試驗研究[J].製造技術與工具機,2019(09):70-73.
4.吳國興,葉軍,肖榮詩,林峰,盧智良,徐均良,郭建梅,張寶華,伏金娟,山昌祝,張人佶,張景泉,王應,王曉娟.第十六屆中國國際工具機展覽會特種加工工具機評述[J].世界製造技術與裝備市場,2019(04):71-82.
5.魏同學.光纖雷射切割06Cr19Ni10不鏽鋼質量控制研究[J].模具技術,2019(04):52-55+63.
來源：中科院半導體所
編輯：皮皮虎