南极洲是古气候和古环境记录的重要储存库，是全球科学研究的重点[1]。直接获取这些记录通常涉及采集冰芯、冰下湖水和沉积物样本[2]、[3]。目前，机械和热钻探技术是主要的采样方法[4]。例如，2012年，俄罗斯研究人员在沃斯托克站使用KEMS-132机电钻探工具达到了3769.3米的累计钻探深度[5]。在热钻探方法中，热水钻探被认为是最快的技术[6]。2018–2019年的南极野外季节，英国南极调查局（BAS）在西南极的鲁特福德冰流使用了这种技术，达到了2154米的深度，最大穿透速率为2.2米/分钟[7]。另一种热钻探方法是热点钻探，其中最具代表性的是吉林大学极地研究中心开发的RECAS钻探工具。该工具的特点是无污染钻探，但穿透速率相对较低[8]。
尽管这些方法在极地钻探中取得了成功应用，但每种方法都有其固有的局限性。首先，机械钻探会造成显著的机械扰动，并依赖钻井液，这可能会损坏冰结构并污染周围的冰层[9]。在钻探冰下湖泊时，甚至可能污染整个湖泊，导致严重的生态破坏。热水钻探还存在将热水和外源微生物引入冰下环境的风险，破坏原本稳定的微生物群落。此外，它还需要大量的后勤支持并且能耗较高[10]。相比之下，激光钻探设备集成度高，对周围环境的破坏最小。在钻探过程中不直接接触冰层，因此产生的扰动最小，消除了引入外部污染物的风险。因此，它为创新的极地钻探技术提供了有前景的概念框架[11]、[12]。
激光技术主要在20世纪和21世纪发展起来，已在工业、医学、航空航天等领域得到广泛应用[13]、[14]、[15]。在石油和天然气钻探领域，激光技术被用来提高钻探效率和降低钻探成本[16]、[17]。然而，其在冰层钻探中的应用相对较少。1973年，Clark等人提出使用高能激光辅助破冰船，这是最早将激光应用于冰层操作的研究[18]。Warren等人研究了冰的光学特性，发现10.6 μm波长的CO2激光的吸收系数可达628.3厘米−1，表明CO2激光在融化冰方面非常有效[19]。20世纪90年代，Zeller等人提出了激光钻探工具的概念；然而，这些设计尚未实际应用[20]。表1总结了用CO2激光照射冰和雪的钻探实验。Sakurai等人使用10.6 μm连续波（CW）CO2激光在不同入射角下测量了不同密度冰样本的孔形成速率，发现融水可使穿透速率降低约50%[21]。Zhen等人使用20–60瓦的CO2激光垂直照射透明冰和气泡冰的底部表面，融水在重力作用下排出。他们的结果表明，随着激光功率的增加，融化速率先增加后减少[22]、[23]、[24]。随后，他们使用相同的20–60瓦激光进行了水平照射实验。结果显示，在最初的27秒内，所有功率水平的融化速率约为1.2毫米/秒。27秒后，融化速率显著不同，50瓦时的最大速率达到5.41毫米/秒[25]。Fang等人进行了数值模拟，研究了不同激光功率、扫描速度和激光束焦距位置下的冰层融化特性[26]。张楠等人进行了不同激光照射角度下的冰钻探实验。结果表明，在-90°至-15°的负入射角下，穿透速率仅为理论值的21%–40%；而在15°至45°的正入射角下，融水可以及时排出，穿透速率达到理论值的2.2–6.5倍[27]。
除了CO2激光外，其他波长的激光也广泛应用于冰和雪的钻探。激光还可以用于冰芯处理：通过使用激光烧蚀与电感耦合等离子体质谱（UV-LA-ICPMS）技术，可以在冰芯分析中实现亚毫米级的采样分辨率[28]、[29]。Motizuki等人开发了一种基于激光的采样系统（Laser Melting Sampler, LMS），用于分析冰芯的成分。该系统实现了高达3毫米的超深分辨率，能够捕捉极地地区数万年的连续温度变化数据。值得注意的是，它可以完全保留冰芯样本中的关键氧和氢同位素，避免了同位素分馏，从而为极地古气候研究提供了更可靠的采样方法[30]。Stone Aerospace公司开发了一种新的冰穿透技术，可用于海洋世界的冰壳和火星极地冰。Direct Laser Probe（DLP）将1070纳米镱光纤激光直接照射到冰上进行钻探。在2.5千瓦的激光功率下，融化速率为12米/小时；随后在5千瓦时，融化速率增加到22米/小时[31]。M. Mah等人使用1070纳米的掺镱光纤激光进行冰芯切割，表明脉冲激光对周围冰的热损伤小于连续波激光[32]。Mah等人还使用1064纳米波长、光束直径为30毫米的激光系统对纯冰样本进行了钻探实验。在1千瓦的激光功率下，钻探速率为0.25厘米/秒；当激光功率提高到10千瓦时，钻探速率增加到2.1厘米/秒。值得注意的是，实验设计使得融水持续从钻孔中流出[33]。Koßagk等人设计了一种适用于星际冰和冰质土壤探索的激光钻探装置。他们在真空环境中使用1550纳米近红外激光对纯颗粒冰和透明冰进行了钻探测试。在12.7千瓦的激光功率下，纯颗粒冰的最大钻探速率为1.7米/小时；而在19.7千瓦的激光功率下，透明冰的钻探速率为1米/小时[34]。VALKYRIE是一种由Stone Aerospace公司在NASA ASTEP资助下开发的冰穿透机器人，配备了直径为25厘米的融化探头，可以通过热熔化和主动热水喷射模式进行钻探。在阿拉斯加马塔努斯卡冰川的现场测试中，使用5千瓦的加热功率时，热水喷射模式的钻探速率为0.9米/小时[35]。目前，激光钻探工具仍处于实验室验证和小规模测试阶段。激光技术具有高能量密度、高集成度和环境友好性，为极地冰盖和外行星钻探提供了显著优势。无论是通过激光照射直接钻探冰层，还是与其他方法（如热水钻探）结合使用，都显示出巨大的发展潜力。
本研究探讨了不同密度和激光功率下冰和雪的熔化和钻探特性。选择10.6 μm波长的CW CO2激光器，是因为冰和雪在该波长下有很强的吸收性[36]，并且这种激光器类型相对于其他类型更具成本效益和可获得性[37]、[38]。在以往研究的基础上，我们专注于更高的激光功率和更高的冰-雪密度。此外，我们还考虑了钻探过程中激光发散的影响，并使用提升装置保持激光器处于聚焦状态。为了解决高密度冰和雪钻探过程中融水积聚的问题，安装了水泵以及时清除融水，防止其对钻探速率产生不利影响。本研究的结果不仅为进一步的激光冰层钻探研究提供了参考，还为工程应用中的水去除和激光聚焦提供了实用策略。
