2024年9月24-28日 国家会展中心(上海虹桥)
数控机床与金属加工展
机床、金属板材及管材加工、模具制造和工具的国际盛会
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深度研究报告:中国激光破局者
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1.1 激光器位于激光产业链中枢,固态激光器占据主流‍    

        激光器是利用受激辐射方法产生可见光或不可见光的一种器件,其主要由泵浦源、增益介质(工作物质)和谐振腔三部分组成。泵浦源为增益介质提供能量激励;增益介质受激后产生光子从而生成并放大激光;谐振腔是光子特性(频率、相位和运行方向)的调节场所,通过控制腔内光子振荡来获得高质量的输出光源。

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激光器是生成激光的器件,居于整个激光产业链的核心中枢位置,占终端设备成品成本的30%-50%。激光器构造复杂,技术壁垒较高,是大量光学材料和元器件组成的综合系统。作为终端设备的核心光学系统,激光器的性能往往直接决定激光设备输出光束的质量和功率,是下游激光设备最核心的光学部件。

根据增益介质的不同,激光器可以分为固态(固体、半导体、光纤)、液体、气体和自由电子激光器。固态类激光器稳定性好、功率高、后期维护成本较低,下游应用场景广泛。液体激光器激光波长可调范围大,但功率上限和维护成本限制了其规模化产销;气体(以CO2为主)激光器激光光学性质优异,但气体密度有限决定了其很难实现超高功率输出,下游应用空间难以持续扩展;自由电子激光器激光性能最优,但是制造工艺和成本造价高,短期难以产业化

      目前在全球范围内,固态激光器的应用占绝对优势;以工业应用领域为例,2017年固态激光器的市场销售占比超过85%。激光器固态化的趋势明显,预计2018年固态激光器在工业应用市场份额将达到近90%,相较于2016年提升约7个百分点。主要原因是固态激光器均采用半导体激光器作为其核心器件,使得固态激光器相比其他激光器有明显的优势:电光转换效率高、体积小、寿命长、可靠性高、波长可选范围大等。

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1.2 激光器位于激光产业链中枢,固态激光器占据主流‍

       以掺杂光纤为增益介质的光纤激光器,近年来凭借优异的综合性能受到众多下游客户的青睐。光纤激光器具备光束质量好、输出功率高、散热性好、稳定性优异、重量体积小、结构简单易于工业化生产等诸多优势,在大多数激光应用领域都是现行的最优选择。光纤激光器已成为金属切割、焊接和标记等传统工业制造领域的主流光源,并广泛应用于医疗美容、航空航天和军事应用等领域。


       凭借出色的综合性能,光纤激光器迅速在工业应用领域得到了放量。2014年,光纤激光器超越CO2激光器成为份额最大的激光光源,在全球工业激光器市场中的占比由2013年的33.82%上升至2017年的47.26%,占据了工业激光器市场半壁江山。全球光纤激光器市场从2013年的8.41亿美元增长至2017年的20.39亿美元,年均复合增长率达24.78%


        国产高功率光纤激光器市占率低,国产替代为大势所趋。从国内光纤激光器市场整体来看,2017年国外企业市场份额为六成左右,而国内企业市场份额仅占四成。按产品功率具体来看,国内中低功率的光纤激光器技术相对成熟:低功率光纤激光器(<100W)市场基本被国内厂家占据,2017年国内企业市占率超过95%;中功率光纤激光器(100W-1500W)国内企业市占率为60%。而高功率光纤激光器(>1500W)难以兼顾元器件稳定性和光束质量,存在较高的技术壁垒,目前国产高功率光纤激光器市占率只有10%左右。在中美贸易战的大背景下,中兴事件的发生折射了国家“缺芯之痛”,核心器件及技术的国产化成为国家和企业的迫切需求.

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1.3 激光器位于激光产业链中枢,固态激光器占据主流‍ 

          光纤激光器的核心器件性能和光纤合束技术显著影响其输出功率。核心器件包括泵浦源、增益光纤、光纤光栅等,光纤合束技术则有助于在其基础上进一步提高激光器功率,因此高性能的核心器件是提高光纤激光器功率的关键所在。


        泵浦源是激光器的核心器件之一,占光纤激光器成本比例高达50%。高功率光纤激光器需要高功率泵浦源的支撑,而半导体激光器具有体积小、重量轻、电光转换效率高、性能稳定、可靠性高和寿命长等优点,因此半导体激光器(LD泵浦源)是光纤激光器的主流泵浦源。


激光芯片是半导体泵浦源的核心部件,其功率高低和性能稳定性直接影响输出激光性能。但激光芯片是国内激光产业链十分薄弱的环节,长期以来我国高功率激光芯片几乎全部依赖进口,进口价格相对较高并且存在技术封锁,国内激光器厂商开始偏好于采购国产激光芯片。随着市场对高功率光纤激光器需求的提升,激光芯片的国产替代为大势所趋。

国内多数LD泵浦源企业只具备芯片封装技术,而长光华芯等具备激光芯片设计制造能力的企业盈利能力更值得期待。美国Lumentum、德国欧司朗和长光华芯等公司具备高功率激光芯片制造能力且可以外销,而美国IPG,德国通快可以制造该类芯片但不对外销售。国内厂商大多都是外采芯片做封装,实际上不具备自产芯片的能力,而长光华芯等国内极少数可以自主设计制造高功率激光芯片的厂商将迎来难得机遇。


      受光纤激光器市场的拉动,全球半导体激光器市场规模由2014年的42.12亿美元增长到2017年的54.69亿美元,年复合增长率为9.10%。中国半导体激光器市场总收入持续增长,其中2017年达到21.9亿美元(工业用16亿美元),较2016年增长15.5%,预计未来将持续增长。

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1.4 激光器位于激光产业链中枢,固态激光器占据主流‍

固体激光器主要应用于精密加工及脆性材料加工等场景。固体激光器拥有脉宽窄(可到超快)、多波长(可到超短)、单脉冲能量大,从而峰值功率高及材料吸收好等特点,可实现冷加工,因此能做到一般CO2激光器和光纤激光器无法做到的精细微加工和特殊材料加工。随着近几年整个工业激光器市场的高速发展,固体激光器在工业应用领域呈增长态势,2017年固体激光器占全球工业激光器市场份额的18%。皮秒飞秒等超快固体激光器预计将在医学、超精细微加工领域大放异彩,市场前景良好。

固体激光器同样主要采用半导体激光器作为泵浦源,而目前固体激光器泵浦源基本以国外进口为主。公司已经量产并对外供货,预期固体激光器亦将推动半导体激光器的发展,市场机会不容忽视。

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