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光导纤维激光器产业:始于苏维埃社会主义共和

在中国这个研发环境里,会觉得工业激光设备并不难造。几个人就敢开公司找各厂家采购到各种部件组装起来,卖打标机之类的标准设备,90年代30万一个的,现在2万块钱一个(就是IPG发言人说摧毁了市场的东西)。这种公司虽然不怎么搞研发,但是把普及应用推广做好,也能帮上游厂家扩大市场。这种现象在国外就比较罕见。中国搞工业机器降成本实在太厉害。

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一 、 激 光产业链全 景梳理,光加工迎趋势红利

1.1 光加工趋势红利:激光公司批量上市

产业现象:激光产业链公司近期密集上市

  • 2018 年前,A 股激光产业链上市公司数量相对有限,主要包括大族激 光、华工科技、福晶科技、光库科技、光韵达、金运激光、亚威股份 等。
  • 以 2018 年 6 月国产激光器龙头锐科激光创业板上市为标志,激光产 业链相关公司迎来批量上市的机遇期。经我们粗略统计,光峰科技、 帝尔激光、创鑫激光、杰普特、铂力特、柏楚电子等激光产业链公司 即将登陆创业板或科创板。未来几年,联赢激光、长光华芯、华日激 光等也有上市潜力。
  • 我们认为,激光产业链公司批量上市一定程度上代表了机加工到光加 工 时 代 的一次产业升 级趋势。
  • 激光与工业机器人具有类似的泛自动化行业属性,一是符合智能制 造、替代人工、提高生产效率的产业升级方向,二是下游应用领域基 本重叠,三是依靠核心器件降价打开市场容量,重要的区别在于激光 核心部件的国产化速度较工业机器人进展更快,产业链有能力完成国 内闭环。

光加工核心驱动:激光器降价

  • 光源是激光产业的核心,也是驱动激光装备降本的前提。激光器作为光源,占激光装备成本的 30%-60%,是制约经济性的关键。
  • 光纤占据激光主流 技术路线: 激光自 1960 年发明以来,先后经历了固 体、气体、光纤三条主流技术路线,诞生了相干和IPG等激光器巨头,德国通快等激光装备龙头。进入 2000 年以来, IPG 依靠技术创新将光纤激光器成本大幅压缩,取代了二氧化碳激光器的主流地位,到目前光纤全球占比接近50%,为高功率激光器的降 本和激光新应用拓展奠定了基础。
  • 激光器自身降价与进口替代两大趋势叠加加速下游应用推广。降 价:激光器核心器件符合类摩尔定律属性,每年保持一定价格降幅, 同时性能有所提升。IPG2009 年以来每瓦特的芯片成本下降了 80%, 年均降幅 18%;进口替代:以锐科激光、创鑫激光为代表的国产 激光器厂商正在逐步替代 IPG 在中国区的市场份额。锐科激光的市场 份额由 2017 年的 12%提升至 2018 年的 17%,同期 IPG 份额由 52%降 至 49%。
  • 我们认为,激光器降本推广和制造业产业升级助推了行业的发展,使 得这一批激光企业在短短几年时间初步完成了产业资本的重要积累。

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1.2 全景梳理:器件、激光器、激光设备

  • 激光产业链从上游-中游-下游-终端可分为四大环节:上游为核心器 件,包括 激光芯片 、泵浦 源、特 种光纤 、晶体材 料、光 学元器 件、电 子元 器件、机械元器件、激光控制系统;中游包括激光器,包括光纤 激光 器、二氧化碳激光器、其他固体激光器等;下游包括激光切割、 激光 打标、激光焊接、激光清洗、激光熔覆、激光 3D 打印、激光显示、激光 测量、激光武器、激光美容医疗等;终端客户包括汽车制造业、3C 电子、专 业钣金加 工、航 空航天 、光伏 、船舶重 工、工 程机械 、军工 集团 等。
  • 对应上述四个环节,国产激光产业链上市公司包括:长光华芯、睿 芯光纤 、福晶科 技、光 库科 技(无/有源光学元器件)、柏楚电子;锐科激光、创鑫 激光、杰 普特 、华日 激光; 大族激光、华工科技、 亚威股份、 帝尔激 光、 联赢激 光、巨星科技、铂力特、光韵达、光峰科技。
  • 对应上述四个环节,海外主要激光产业链上市公司包括:贰陆、lumentum、nufernIPG、nlight、相干;通快、Amada、瑞士百超、Velodyne、ASML。

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1.3 研究思路:需求沿产业链同步传导,经济性受需求和成本制约

激光产业链分三部分:激光器件、激光器、激光装备,核心逻辑是依靠器件降本打开更多经济性场景。

  • 激光装备环节: 行业发展的关键要建立在不同场景拓展基础之上。新应用场景的拓 展取决于产品 经济性(即产品 投资回收周期), 而经济性取决于订单量与设备采购成本、运营成本的差值。订单量受 宏观需求制约,成本则主要取决于激光器的价格。 我们从三个角度建立了跟踪需求变化的指标:宏观:PMI、制 造业产成品存货;中观:永康五金加工指数、工业机器人产量、具 体子行业下游投资需求;微观:全球激光器龙头——IPG 单季度收 入情况、重点激光装备单月的订单、激光控制系统龙头——柏楚电子 的收入情况。
  • 激光器环节:激光器的直接需求来自于激光装备企业订单,从而间接 受宏观需求制约。从激光器角度,我们认为比较核心的是追踪激光器 企业分功率产品结构的销量、价格及结构,重点产品的返修率变化、 降价幅度及对激光器毛利率的影响。
  • 器件环节:降价对毛利率的影响研究,核心追踪:第一,核心器件自 身的降价幅度、成本底线;第二,核心器件的国产化进展。

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1964年因为激光和汤斯同时获得诺奖的是两位苏联物理学家,尼古拉·巴索夫和亚历山大·普罗霍罗夫。那年头苏联物理学家也非常厉害,巴索夫提出的半导体激光器发展出了后来的神器:光纤激光器。

导读:那么多种光纤激光打标机,你真的都了解它们吗?让小编给大家介绍下常见的几种光纤激光打标机,以及了解它们的特点。

三 、 激 光器:进口 替代进程加速,功率结构具备持 续升级空间

3.1 光纤激光器的技术原理与成本构成

光纤激光器是目前激光器的主流技术路线,占到全球激光器规模的近 50%。如图 6,光纤激光器价格的下降是提高新应用场景经济性的前提。 半导体激 光器较光 纤激光 器而言 ,由于 无需特种 光纤, 原材料 成本可 以降 得更低, 但同时面 临光斑 较大等 问题, 未来在激 光焊接 领域也 有一定 的发 展空间。因此,我们以光纤激光器为研究对象。

皮秒和飞秒等超快激光器有望复制光纤激光器价格下降的路径,在蓝 宝石切割、OLED 切割和医疗美容等精密微加工领域完成国产替代, 为行业贡献新的增长点。

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光纤激光器的原理、结构与 IPG 两大技术基石

  • 工作原理:泵浦源里的泵浦光入射到光学谐振腔 里特种光纤,会被所掺杂的稀土离子吸收,吸收了光子 能量的稀土离子会发生能级跃迁,实现“粒子数反转”,反转后的粒子经 弛豫后会以辐射形式再从激光发态跃迁回到基态,并释放出能量,形 成激光束输出。
  • 包层侧面泵浦技术和分布式单发射芯结二极管泵浦结构是 IPG 的技术 基石。

包层侧面泵 浦技术: 指三个二极管泵浦模块围成一圈组成泵浦源, 每个泵浦模块又由 3 个二极管线阵组成,每个线阵的输出功率平均为 20W,通过玻璃管形成泵浦腔和制冷通道。半导体泵浦源发出的光经过三 对光束整 形透 镜会聚 到这三 条增 透膜区 域内, 透过玻 璃管 壁被晶 体吸收。 由于玻璃管大部分区域镀有高反射膜,使得泵浦光进入泵浦腔后来回反 射,直至倍晶体吸收并在晶体横截面上形成均匀的增益分布。

分布式单发射 泵浦技术: 较国内一般的巴条泵浦技术方案相比,单芯 结泵浦相 互独 立,单 个发生 故障 不会影 响其他 泵浦的 性能 和可靠 性,不受 最具侵蚀性的工业环境影响,解决了巴条泵浦的热互扰难题。

  • 激光器成本结构拆分:特种光纤占 20%,泵浦源占 30%,光学元器件 占 30%,其他电子与机械元器件占 20%。

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3.2下行周期的竞争策略:份额优先

  • 竞争格局:IPG 在 6kw及以上超高功率市场依然垄断中国的份额,2017 年 和 2018 年市占率分别为52%和 51%;锐科激光正在 3kw 和 6kw 功率段快 速替代 IPG的份额,12kw 完成小批量交货,20kw 完成验收,2018 年市占 率 18%,提高5.3pct;创鑫激光销量结构以脉冲激光器和2kw以上光纤激 光器为主,2018 年市占率 9%,拟在科创板上市。
  • 进口替代,份额优先:从 2018 单个季度收入增速看,锐科激光收入增速明 显高于 IPG 中国区的收入增速,IPG 连续三个季度在中国区的增速下滑, 2019 年Q1下滑 24%,而同期锐科激光依然保持 20%以上的收入增速,公 司份额优先战略得到有效执行。

3.3 量价结构:6kw 以上国产化率不足 10%,价格战有底线

激光器销量结构:6kw 以上国产化率不足 10%

从销量结构看,1.5kw 以下基本上已经完成进口替代,1.5kw 以上仍具 备进口替代空间。尤其是 6kw 以上功率段,海外进口激光器占比仍然 超过 90%的份额。随着激光器降价,整个需求功率结构仍然具备进一 步升级的空间。

100w 以下:基本实现进口替代,过去两年国产销量端保持 30% 以上的增长,预计 2019 年国产实现销量 12.5 万台,同比增长 13.6%, 较 2018 年增速放缓。

介于 100w和 1.5kw:2018 年国产化率 51%,过去两年国产销量 端增速分别为 33%和 25%,预计2019年国产实现销量 15.5 万台,同 比增长 24%,与 2018年持平。

1.5kw 以上:2018 年国产化率 34%,预计今年国产化率将达到55%。过去两年国产销量端增速分别为 316%和 100%,预计2019年国 产销量达到 4000 台,同比翻倍。1.5kw 以上国产化率提升得益于锐科 激光和创鑫激光 3kw和 6kw 高功率激光器成熟对 IPG 进口替代。

激光器的价格结构:价格战有底线

  • 激光器成本端下降支持降价。激光器价格由于降价时间不统一、功率 结构差异因素和不同企业之间的优惠折扣差异,定价属于公司机密, 很难取得连续型数据。但是我们参考IPG 成本下降曲线(以每瓦芯片 成本为代表),激光器成本端每年保持18%的下降幅度。
  • 主要激光器企业价差:根据我们交流,过去两年,每年激光器同功率 均价保持 20%~30%的降价幅度,国产激光器与 IPG 激光器同功率产品 基本保持在 20%~40%左右的价差幅度。
  • 2018 年下半年以来,受 宏观需求影响 ,激光器企业 之间的价格战幅度 较以往年份更加激烈,降幅超过 30%。
  • 激光器的价格战是有底线的。随着中低功率的激光器基本完成国产替 代和激光器价格的进一步下降,中低功率激光器的价格进一步下降的 空间已经比较有限。目前降价最为激烈的功率段已经由去年的2kw 和 3kw,提升至 6kw 及以上功率阶段。

3.4 复盘 IPG 的两次毛利率危机:毛利率下降后依然可以回升

激光器价格对公司毛利率的影响机制:激光器产品降价,单品毛利率下 滑。激光 器公司整 体毛利 率维持 稳定需 要从几个 方面进 行对冲:一是 激光 器原材料 端成本的 下降, 二是整 体需求 结构往更 高功率 进行结 构性升 级, 高功率高毛利率产品在整体出货量中的占比提升;三是开拓新的应用场 景。

上述机制决定了激光器毛利率下滑后可否重回上升通道:取决于原材料成 本结构与产品结构,我们以 IPG 为例阐述。

IPG 上一轮全球金融危机的表现对于研判行业变化具有重要意义。我 们翻阅了近十年 IPG 的年报,回顾了其在 2008 年全球金融危机以来 两次毛利率危机。

第一次危机:受 2008 年全球金融危机带来的宏观需求疲软,IPG 光纤激光器与主流的二氧化碳 激光器之间陷入严重 的价格战,2009 年 IPG 毛利率下滑12pct至 35%,净利率下滑 13.95pct 至 2%。价 格战对毛利率的压制对 IPG 形成倒逼,迫使其通过以下五个方面: 2009 年报披露:1提升份额;2拓展新应用:如切割高强度钢合 金和汽车高速焊接;3拓展产品结构:从 2009 年开始,公司开始 销售高功率耦合器,光束开关和特种光纤,高功率封装二极管,长 脉冲高峰值功率光纤激光器和脉冲绿光纤激光器;4优化制造工 艺;5加大全球化布局。经过五大举措,2010 年以后,公司重返 50%以上的毛利率,并维持了 9 年的时间。

第二次危机:受本轮全球经济疲软影响,尤其是中国区以锐科激光 和创鑫激光为代表的国产激光器厂商进口替代进程加快,在 2kw 及以上功率段的价格战,IPG 毛利率再次进入下跌。2019Q1 毛利 率下滑至 47.27%。在本轮毛利率危机中,IPG 已完成全 产业链的布局,进一步对冲毛利率的手段相对有限。

3.5 国产激光器龙头毛利率下滑后存在回升潜力

原材料维度:国产激光器高功率器件依然依赖进口

  • 锐科激光:中低功率器件基本实现自制,高功率器件依然依赖进口。预计特种光纤自产率 40%左右,2018 年子公司睿芯光纤营业收 入 9524 万元;高功率泵浦源芯片依赖进口,国产化率不到30%;高功率光栅等核心元器件依然依赖进口。
  • 创 鑫 激 光:光纤光栅、特种光纤和泵浦源芯片依赖进口。 n产品结构维度:有望进一步向产业链上下游延伸布局
  • 锐科激光:3kw 产品已经基本成熟,2018 年 6kw 和 12kw 高功率产品 开始批量供货。
  • 目前锐科激光的产品线仍然以激光器为主,未来有望向激光器件(睿 芯光纤的特种光纤)、激光设备(与现有客户非重叠的业务,如激光 清洗设备)等产业链延伸布局。

国产激光器龙头锐科激光此时正在经历第一轮毛利率危机,从以上角度 看 , 公 司毛利率依然 具备企稳回升的潜力。

其实还有一个办法,就是到中国的低成本环境来开厂:蹭成本。例如光波公司,以前生产线在美国,后来就把低功率生产线转到深圳来了。这个公司也不是说有什么研发优势,就是到深圳生产成本低,在国际上竞争力增强。老板是美籍华人,所以对降成本这一套能理解。为什么说是“蹭成本”,因为对中国没什么技术贡献。但是还是能看出美国公司与中国公司的风格差异。

五、总结

了解光纤激光打标机的种类还是非常重要的,这些小窍门对于了解设备非常有帮助,熟悉以及掌握设备的参数以及功能等,对于操作员来说是一门必修课。

四 、 激 光器件:高 功率器件仍具备国产化空间

4.1 特种光纤:激光器企业的核心竞争力

特种光纤区别于普通光纤的核心特征是在特定波长上使用,掺镱光纤用于 光纤激光 器和光纤 放大器 的增益 介质, 无源光纤 用于耦 合器, 尾纤等 其它 光器件。 大双包层 掺镱光 纤及双 包层无 源光纤特 种光纤 长期被 国外垄 断, 限制了国产高功率激光器的进展,主要代表为美国 Nufern 公司。国内以睿 芯光纤、长飞光纤等为代表实现国产化的重要突破,降低了原材料成本。

国内特种光纤市场规模不大。按照目前国内83亿激光器规模,45%的毛利 率,84%的原材料成本占比,20%的特种光纤占比,特种光纤目前的市场规 模为 7.7 亿元,其中 IPG 占据的一半市场份额中完全自产。国内激光器厂 商的特种光纤一般外购瀚宇光纤为主。

睿芯光纤是锐科激光的控股子公司,2018 年营业收入 9524 万元,同比增长150%,实现净利润 0.56 亿元,同比增长300%。

4.2泵浦与激光芯片:976 路线升级可推动激光器降本

976nm 泵浦替代 915nm泵浦将有利于国产激光器降低成本。光纤激光器通 过增益光 纤 实现从 泵浦光 到信号光 的能量 转换。 掺镱光 纤在 915nm 和 976nm 波段存在两个明显的特征吸收峰,915nm 波段吸收系数相 对较低,吸收谱较宽;976nm 波段吸收系数是 915nm 波段的2-3 倍,但 吸收谱相对较窄。976nm 波段泵浦的光光效率可达到85%,而 915nm 波段 泵浦的的光光效率为 75%。

976nm 泵源较高的光光转换效率可以有效降低泵源的成本代价。以 1500W 光纤激光器为例,976nm 泵源相比915nm泵源高出约 10%电光效率,将直 接节约 235W的泵浦源功率,大幅度节约光纤激光器制造成本的同时,也 为光纤激光器的终端用户节省了约11%的电力消耗费用。

目前国内主流的激光器厂商为 915 路线,高功率升级降本驱动 976 路线需 求。使用 915nm 波段的半导体激光器作为泵浦源,受益于 915nm 波段较宽 的吸收谱,激光器整机受温度影响较小,在 915nm 波段增益有源光纤的吸 收效率低 ,为达到 整机光 纤激光 器更高 功率的输 出,在 技术上 要求使 用更 高的 915nm 泵浦功率和更长的有源光纤。但是 915 路线面临增益光纤非线 性效应、光光效率损失、热管理难度增加、单位瓦数成本上升等诸多困 难。

国内激光芯片一级市场标的:长光华芯。2012 年成立,国内首家从事高功 率半导体 激光芯片 及相关 光电器 件和应 用系统的 研发, 拥有从 芯片设 计、 MOCVD、光刻、解理/镀膜、封装测试、光纤耦合、激光系统等 完整工艺 平台和量 产线, 是全球 少数几 家、国内 唯一一 家研发 和量产 高功 率半导体激光器芯片的公司。2018 年 7 月,完成 B 轮 1.5 亿元融资。

4.3 激光晶体:壁垒高具有耗材属性

非线性光学晶体变频是获取激光不同波长的主要方式。根据波长不同的划 分,激光可分为红外激光(波长范围为 1mm~760nm)、可见激光(波长范 围 760nm~380nm)、紫外激光(波长范围 380nm~10nm),不同波长的激 光应用在 激光切割 、焊接 、显示 、医疗 、武器、 紫外微 加工、 雷达、 通讯 等不同的领域,受益于半导体、PCB、OLED 产能扩张带来激光加工设备 需求。

  • 工作原理:激光晶体由基质晶体和激活离子两部分组成,基质晶体主 要是为激活离子提供合适的晶格场,激活离子是掺杂在基质晶体中的 化学元素离子。激光晶体中利用不同的激光离子可以产生不同波长的 激光,应用在不同领域。
  • 具有非线性光学效应:入射激光在非线性光学晶体中传播时,通过多 倍频会发生激光的频率转换,结果导致输出的波长与入射激光波长不 同,从而产生新的波长。
  • 具有耗材属性。激光晶体本身具有耗材属性,一般适用寿命为 2~3 年,在转换效率下降后需要及时更换。

从技术路线上来讲,目前没有其他晶体可以替代 LBO 和 BBO 的地位:目 前应用最广泛的非线性光学晶体有 LBO、BBO、KTP,其中 LBO 和BBO是中国科学院福建物质结构研究所在 20 世纪 80 年代发明并获得全球范围 内的专利。BBO晶体输出激光波段扩展到了紫外,通过二倍频、三 倍频、四倍频甚至五倍频,能实现波长 1064nm 到 532nm、355nm、 266nm、213nm 的转换;LBO 除具有优良倍频、三倍频等功能外, 还有很高 的抗激光 损伤阈 值、激 光发散 角小等特 点,可 用于制 造大功 率、 高质量激光器;在高功率的 532nm 和355nm固体激光器制造领域,LBO 一直占据主导地位;通过 LBO 倍频输出的红、绿、蓝三基色激光, 是实现激光显示商业化的基础。

从需求端看,激光晶体目前的增长点主要来自于 OLED 投资扩张周期带动 的紫外激光器需求。全球 OLED 上一轮扩张周期发生在 2016~2017 年, 2017 年达到峰值236亿美元,福晶科技 2016~2017 年收入连续保持 46%的 复合增速。DSCC预计 2018、2019 年分别为216、134 亿美元,连续下 滑,同时 DSCC预计到 2020 年 OLED 设备市场将出现反弹,可望成长2倍到 109 亿美元,带动 2020 年整体面板设备投资规模来到186亿美元,年 增 36%。

激光晶体领域的主要参与者包括福晶科技、美国贰陆、诺斯洛普-格鲁门公 司、美国科学材料公司、激光材料公司、Raicol Crystals、EKSMA、Cristal Laser S.A、VLOC、Inrad、高意光学等。

4.4 激光控制系统:卖铲人角色,监测下游需求的有效指标

激光切割控制系统是激光加工装备的卖铲人。2014 年以来,随着 IPG 光纤 激光器技 术路线在 全球范 围内的 成熟推 广以及经 济性拐 点的到 来,国 内陆 续涌现了 300~400 家激光加工装备企业,尤其以切割设备为主。激光切割 系统以软 件开发为 核心, 与板卡 、总线 主站、电 容调高 器等硬 件集成 后销 售给下游客户。

激光控制系统作为激光加工装备的核心部件,充分受益激光装备下游市场 的增长。根据 Industry Perspective 统计,截止到 2018 年,国内激光切割市 场规模达到 200 亿元左右。

激光下游新场景应用的拓展将带动激光控制系统的同步需求。一方面,目 前下游需求逐渐由激光切割向激光焊接、激光 3D 打印、半导体领域渗 透。另一 方面,激 光切割 控制系 统属于 运动控制 系统行 业子分 类,下 游面 向更广泛的工业机器人、机床、半导体、纺织机械、包装机械等行业。2016年我国运动控制市场规模达到 62.46 亿元,同比增长 8.7%,预计到2020年市场规模将接近 90 亿元。

竞争格局与周期性:在激光切割控制系统市场内,柏楚电子、维宏股份、 奥森迪科市占率 90%。2017~2018 年柏楚电子收入分别为 2.1、2.45 亿元, 增速对应 72%和 16.58%,净利润分别为 1.31 和1.39亿元,增速对应 74% 和 6%,毛利率保持在81%左右,2018 年净利率为57%,拟在科创板上 市。柏楚电子业绩波动一定程度上体现了行业的周期性。

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一、常见的光纤激光打标机

1、光纤激光打标机

2、CO2激光打标机

3、深紫外激光打标机

4、绿激光打标机

5、灯泵YAG激光打标机

6、半导体侧泵YAG激光打标机

7、半导体端泵YAG激光打标机

(温馨提示:文末有下载方式)

光纤激光器有半导体激光器的一系列优点,又有晶体激光器光束质量高的优点。从产业上来说,比起CO2激光器和YAG激光器,光纤激光器的优点一目了然,优势大到没什么好比的。光纤激光器有绝对理想的光束质量,又有半导体激光器超高的转换效率,又象光纤和LED灯一样完全免维护,稳定性高,体积还很小,真的是非常完美的产品。

二、激光波长不一样

1、光纤激光打标机:1064nm

2、CO2激光打标机:10.64nm

3、深紫外激光打标机:266nm

4、绿激光打标机:532nm

5、灯泵YAG激光打标机:1064nm

6、半导体侧泵YAG激光打标机:1064nm

7、半导体端泵YAG激光打标机:1064nm

五 、 海 外篇:复盘 全球激光龙头的成长路径

5.1 激光装备全球领先:德国通快

德国通快是全球激光装备龙头。1923 年以数控机床业务立业(业务类似于 现在的亚威股份),1973 年由机床业务延伸至激光冲裁复合机床业务,形 成了激光切割、激光焊接、激光切管机为业务的激光装备业务。2008 年以4890万美元收购激光器公司 SPI 进一步向激光产业链上游延伸,形成了业 务范围覆 盖机床、 激光器 与激光 加工设 备、电子 和电动 工具多 业务综 合布 局的激光装备企业。

2017/18 年度创历史最好业绩。 2017/18 年度收入规模 35.66 亿欧元。目前在手订单 38 亿欧元,实现税前营业利润 5.14 亿欧元,同比增长增长 52.8%,营业利润率 14.4%,公司 人均产出 200 万,研发占比 9.5%。其中分区域看,德国区7.19亿欧元,中国区4.57亿欧元、美国区4.57亿欧元。

业绩增长受益于两大业务的快速发展:德国通快联合全球光刻机龙头ASML为半导体行业开发出了一种二氧化碳激光系统,可利用 13.5nm 波长 的极紫外光加工晶圆,使芯片含有的晶体管密度达到 1 亿晶体管/平方毫 米,每秒可加工 100多个晶圆,全球独一无二;激光 3D打印业务快 速发展。公司在 2003 年开始研发激光 3D 打印,2015 年推出 truprint 机 器,目前该团队已经超过 200 人,为通快贡献新的业绩增长点。按照人均 产出 200万人民币的水平,已经产生 4 亿人民币的收入。

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5.2 激光器全球领先:IPG

IPG 是全球光纤激光器龙头。公司将光纤激光器技术从实验室带向产业 界,依靠包层侧面泵浦技术与分布式目前垄断了全球 60%以上的光纤激光 器市场份额。公司发展经历了以下四大阶段:

  • 技术储备阶段(1961~1990 年):创始人 Valentin P.Gapontsev 是第一 个将光纤激光器从实验室带向产业化阶段的发明家;
  • 资本原始积累阶段(1990~2002 年):IPG 以制造和销售定制型玻璃与 晶体激光器、高温用无线温度计以及激光器部件起家,并在电信行业 积累了一定的资本。2002 年,电信行业资本开支下滑,公司投入所有 资金进行垂直化整合,攻克高功率光纤激光器,开发出单发射泵二极 管,力图摆脱对上游供应商的依赖;
  • 资 本垂 直整 合期( 2006~2016 年) :上市后借助资 本市 场完 成一系列 并购整合,加大垂直整合力度;
  • 超 高功 率产 品快 速放 量期( 2016~现 在) :2016 年以来 陆续 向市场推 出具备经济性的 6kw、8kw、12kw 等超高功率光纤激光器,过去八年 IPG 公司收入从 1.86 亿美元增长到14.09亿美元,复合增长率达到 29%。

2018Q3 欧洲和中国区市场开始持续下滑,持续到 2019Q1

  • 受 欧洲和中 国主要 经济体经 济承压 影响,公 司收入 端从 2018Q3开始 恶化。公司 2018 年收入 14.6 亿美元,其中占71%的市场欧洲和中国 区市场从 2018Q3 开始下滑。2018Q3~2019Q1,欧洲区分别下滑- 25%、-12%、-24%;中国区分别下滑-9%、-19%、-24%。其中 IPG 在 中国收入 6.29亿美金,市占率49%。
  • 2019Q1公司收入延续前两个季度的下滑趋势 ,毛利率下滑 8 个 pct。 实现收入 21 亿元(-12%,收入下滑来自于金属切割和3D打印业 务),净利润 3.71 亿元。分区域看,中国、欧洲、日本、 美国销量分别-24%、-24%、-20%, 65%。
  • 预估 2018 年 IPG6kw 以上中国区市场收入在 17 亿元左右。在产品方 面,IPG高功率连续激光器的销售额占总收入的 57%,同比下降22%;6 千瓦及以上的高功率光纤激光器占高功率连续激光器销量的 50%;万瓦及以上的高功率连续激光器销量同比增长40%。据此估算,IPG1kw 以上高功率57亿元,6kw 以上 28.5 亿元, 假设中国区占比 60%,为 17.1 亿元。中国区83亿市场结构中,6kw 及以上市场占比 20%。2018 年锐科激光 6kw 及以上预计收入为1亿元 左右,市占率不到 6%,仍有较大替代空间。
  • 2019Q1主要激光器企业毛利率出现 大幅下滑,出货结构和降价较大有 关。今年一季度主要激光器企业的毛利率下滑较多(IPG 环比下滑 7pct,锐科激光环比下滑 10pct)。

六 、 投 资建议:略

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(报告来源:国金证券;分析师:王华君)

我们今年非常努力地降低产品成本。同样,从明年开始,我们推出新一代高功率光纤激光器,比现有生产线更高效,更完美,而且成本更低。从制造成本来看,我们再次下降20%至30%,并且即使在平均售价下降的情况下也支持同样高的盈利能力,但它会影响收入。中国人实际上破坏了市场。

四、标记范围以及价格

1、光纤激光打标机:打标精细、省电、免维护,用于手机、按键等高端产品。价格高。

2、CO2激光打标机:主要用于非金属(木头、亚克力、纸张 、皮革等),价格便宜。

3、绿光激光打标机:主要用于高端极精细IC等产品。价格较高,产品定制为主。

4、紫外激光打标机:主要用于高端极精细IC等产品。价格较高,产品定制为主。

5、灯泵YAG激光打标机:主要用于金属、塑胶等低要求产品,激光打标机价格适中。

6、半导体侧泵YAG激光打标机:与灯泵YAG激光打标机使用面相同,但较稳定,价格适中。

7、半导体端泵YAG激光打标机:与灯泵YAG激光打标机使用面相同,稳定且省电,但用于高端产,价格较高。

二 、 激 光装备:上 游降价提升设备经济性,新场景 需求持续打开

2.1 空间测算:预计 2025 年中国激光装备市场超1300亿;激光器 250 亿

  • 装备市场中国超过全球一半。根据 Laser Focus world 统计,2018 年全球激 光装备市场规模 138亿美元,根据《2019 年中国激光产业报告》的统计, 2018 年中国激光装备市场规模为 605 亿元,超过全球市场的一半,其中工 业领域 300 亿元。工业领域中激光切割打标市场规模预计为250亿,焊接 市场预计 50 亿元。
  • 上市公司层面看市场结构:装备:消费电子领域占 50%以上,泛工业 制造领域占 30%~40%,半导体、新能源等领域占 10%。激光器:预 计目前泛工业制造领域占比超过 60%,消费电子领域占比 20%~30%。(泛 制造业包括 汽车制 造、工 程机械、 轨交装 备、电梯 、家电 、船舶 重工 等)。
  • 根据 7 家激光装备上市公司收入可比口径,上一轮景气周期为2016和 2017 年,增速分别为 28%和62%,2018 年重回2%的低增速。我们预计 2019 年 H2有望构建行业底部,2020 年有望迎来上行周期。(7 家公司包 括大族激 光、华工 科技、 光韵达 、金运 激光、联 赢激光 、铂力 特、帝 尔激 光)
  • 预计到 2025 年,国内激光器市场规模将达到 250 亿,年复合增速超过 16%。2018 年国内激光器市场规模超过 80 亿元,占全球光纤激光器市场 总规模的 45%。
  • 激光器行业目前仍震荡下行,或将进入磨底阶段。我们以 IPG、锐科激光 和创鑫激光三家公司为代表样本,2016 和 2017 年合计收入增速分别为28%和 64%,与7家激光装备上市公司收入增速基本匹配。自 2018Q3 以来 进入下行周期,目前此下行周期已经持续三个季度,2019 年 Q1 行业增速 加速下滑至 17%。两大激光器企业(IPG 和锐科激光)增速出现分化,IPG 和锐科激光 2019Q1 收入增速分别为-24%和 24%。

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2.2 竞争格局:装备端竞争分散,激光器端集中度较高

激光装备竞争格局较为分散:以 2018 年国内 605 亿激光装备市场规模为计 算,大族激光市占率 18%,华工科技市占 8.6%,通快中国市占6%,CR3 市占率占比32.6%。

由于消费电子领域大客户特点,其激光需求基本被大族激光和华工科技 两家龙头独占,大族激光 2017年高峰期苹果消费电子领域收入 40 亿元左右;

由于区域性和下游离散型制造企业的特点,泛制造业领域的激光加工市 场难以形成较为集 中的竞争格 局,国内从 事激光切割领 域的激光加 工装备企业 超过 300 余家。

激光器集中度较高:激光器市场集中度较高。国内 CR3 占据了 75%的市场 份额。其中 IPG占 49%、锐科激光 17%,创鑫激光9%。

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2.3 经济性:万瓦激光切割机将逐步具备经济性

激光渗透速度取决于产品经济性:激光切割替代传统工艺本质取决于新老 产品的投资回收周期。根据我们交流了解,激光切割机在 2017 年高景气 时,投资回收周期在 2年以内,而在 2018 年下半年景气回落阶段,投资回 收周期超过 3 年甚至更长。原因在于宏观承压,第三方钣金加工厂接到的 订单减少 ,终端用 户使用 原先的 旧工艺 设备依然 能够维 持生计 ,替代 需求 减弱,下半年行业出现同比负增长。

6kw激光切割机经济性测算:根据我们交流了解:

单台设备价值量方面,激光器价格每年降幅超过20%,带动激光装备价 格逐年下降超过 10%,单台设备的一次性购买成本大幅下降,与传统等离子切 割和火焰切割机的价差逐年缩小。例如:IPG 2017 年 6kw 售价 100 万元以上/ 台,对应到激光切割机端的售价可能达到 250 万/台左右;到目前预计 70-90 万,对应到激光装备的价格已经降至150-180万/台左右。

运营成本方面,光纤激光加工较传统的火焰和等离子加工工艺具备明显 的经济性优势,且符合环保要求、无须二次加工等优势。

万瓦激光切割机将逐步具有经济性。目前激光切割机主流加工范围为 30mm 以下中薄板,而 30mm 以上碳钢和40mm以上的不锈钢等中厚板仍 然用等离 子切割和 火焰切 割机加 工方式 。随着激 光器成 本的大 幅下降 ,万 瓦以上功 率段的激 光切割 机将逐 步具备 替代的经 济性。 我们预 计这部 分市 场的存量空间超过 5 万台,目前对传统的工艺渗透率较低,且激光器基本 上被 IPG 垄断。

超高功率最新进展。从 IPG 收入结构看,自从其 6kw 产品在 2016 年下半 年推出后,目前 6kw 及以上功率段整体收入占比已经超过 30%,该部分市 场收入超过 30亿元。继 6kw 推出后,IPG 2017 年推出 8kw和 1 万瓦, 2018 年推出1.5万瓦,2019 年推出 2 万瓦,2019Q1 IPG 万瓦以上收入增速 40%。

2.4 需求跟踪:渗透速度受宏观约束,下半年望构筑行业底部

  • 需求拆分具体见 2.1 市场结构部分。
  • 如何定量高频跟踪下游需求变化:我们尝试建立了高频指标跟踪激光装备 下游景气变化,主要在以下两大代表领域:泛工业制造领域:比如 PMI、永康五金加工指数、IPG 全球单季度数据、汽车制造业产成品存货同 比、工业机器人销量增速、激光控制系统企 业柏楚电子收入情况等; 3C 消费电子领域:主流智能手机工艺革新对激光的需求;新能源汽 车领域:新能源汽车销量;光伏领域:PERC 扩产及对激光需求。
  • 一是,泛工业制造领域,指标跟踪显示行业依然处于下行周期的阶段。进 入 3-4 月以来,制造业 PMI 重新进入景气扩张区间;工业机器人 4 月份产 量同比下滑 7%;永康五金加工下游指数在一季度进入景气扩张区间,但是 在 4月份重新跌回非景气区间;IPG 中国区一季度收入下滑-24%。
  • 二是消费电子领域,主要是智能手机等电子产品工艺革新带动的激光设备 需求。由于智能手机已经渡过快速渗透阶段,单纯跟踪销量没有太大意 义。跟踪如智能手机中框加工、全面屏、5G 等工艺革新对超快激光装备需 求。
  • 三是新能源汽车领域,定量的数据包括跟踪新能源汽车销量、电池厂装机 量等。
  • 四是光伏领域,定量的数据包括全球和中国光伏年度新增装机规模, PERC 扩产;定性的跟踪包括 SE 掺杂、激光扩硼、半片、叠瓦、HIT 等新电池工 艺的升级。

2.5 重点场景:高功率切割焊接、医疗、遥感、超快

IPG 预测,高功率切割焊接、医疗、遥感、非金属材料微加工将成为激光行业新的增长点。

  • 上一轮行业性的拐点发生在 2016H2,与行业拐点一致;
  • 2015 年~2023 年,全球激光器市场规模有望从 47 亿美元增长至 95 亿 美元,年均复合增速 10%;
  • 到 2023 年高功率切割和焊接依然是激光装备的第一大应用领域,其次 为医疗、激光传感和非金属材料微加工。(注:高功率为 1.5kw 以 上)

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2.5.1 激光切割:高功率切割是目前激光器行业主要增长点

竞争格局:海外厂商包括德国通快(中国区 35 亿元)、日本 Amada、瑞士 百超,国产厂商大族激光(2018 年高功率激光装备收入 23 亿元)、华工 科技(2018 年激光装备业务收入 17.7 个亿)、宏山激光、奔腾激光、邦德 激光(2018 年收入 4.67 亿元)、亚威股份(2018 年激光业务收入 4.57 亿 元)、领创激光、迅镭激光、海目星等。

2.5.2 激光焊接:潜在空间或不亚于切割,非标属性明显

激光焊接工作原理:激光产生高功率单一的光束,作用于金属表面,能 够快速达到金属沸点并熔化,熔化后的金属冷却凝固后形成焊缝,从而 实现焊接功能。

  • 焊接具有非标属性:激光焊接与切割工艺不同,需要针对不同应用场 景进行定制化的设计,并配套机械手等其他设备,主要用于替代人工 和满足柔性制造特点。
  • 激光焊接经济性欠佳,主流客户集中在新能源动力电池和高端车企。 目前激光焊接仅在动力电池(电芯和模组段激光焊接)、高端车企(白车身、底盘、个别零部件等)、高档厨电领域有所应用,整体经 济性欠佳。随着激光器价格的进一步下降和人工成本的上升,激光焊 接的经济性会逐步得到体现。根据我们近期交流了解,1-1.5kw 功率 段 激 光 焊接替代传统 的氩弧焊、电子焊已经开始具备经济 性。

我们认为,激光焊接未来的潜在空间或不亚于切割。从理论上讲,中国 作为全球制造中心集结了全球最多的切割和焊接基础工艺设备场景,且 焊接设备非标属性决定焊接不会像切割一样,很快陷入价格战的红海之 中 , 对激光装备和激光器公司的毛利率会有一定的支撑。

激光焊接竞争格局:德国通快、大族激光(2018 年动力电池焊接业务 的营收规模约 8 亿元, 78%)、逸飞激光、联赢激光(2018 年整体营 收规模 9.8 亿元, 35%)、亚威创科源、江苏北人(2018 年公司收入 4.12 亿元)。

2.5.3 激光显示:下游应用逐渐拓展,电影和电视逐步具备经济性

传统激光显示技术路线面临产业化的难题:传统主流的激光投影显示技 术 是以红、 绿、蓝三 基色激 光为光源 ,混合成 全彩色 ,进行投 影的 技 术,见下图 27。但是传统的激光投影技术面临三个方面产业化的难 题:红光激光器材料温度稳定性差、绿光激光器效率低寿命短; 激光光源由于相干性导致的视觉散斑,影响显示效果;红绿 激 光 昂贵、直接产业化成本过高。

光峰科技 ALPD 技术架构解决传统激光显示的产业化难题。李屹博士创立 的光峰科技自 2007年开始在全球领域独创 ALPD 技术架构,使用氮化镓 基蓝光激 光器和荧 光材料 实现红 绿光谱 ,将激光 的高亮 度与荧 光材料 的高 性能结合在一起,获得了1400余项专利,该技术路 线成为激光显示领域的基础性技术。

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主要应用:目前激光显示较为成熟的应用主要包括四大领域:激光电影、激光电视、激光工程投影机、激光商教投影机。

  • 激光电影:激光电影终端销量与下游电影放映厅总量以及激光放映的 商业模式相关,从近几年观察看下游电影放映厅数量增速保持20%以 上的复合增速。截止 2018 年底,我国拥有电影放映厅 60079 个,其中 安装使用激光电影放映设备为 23431 台,激光渗透率约为 39%。
  • 激光电视:截至到 2018 年,境内激光电视销量 16.4 万台,同比增长 130%;
  • ¡激光商教投影机: 2018 年,国内激光商教投影机销量 18.1 万台,同比 增长 8%;
  • 激光工程投影机:2018 年我国激光工程投影仪出货量 4.2 万台,同比 增长 23.5%。

激光显示替代传统的显示设备逐渐开始体现出经济性

  • 激光电影主要替代传统的疝光灯泡光源,氙灯灯泡寿命较短(不超过 1500 小时),且亮度色彩衰减较快。影院为持续保证良好的观影效 果,每年需更换灯泡3-4 次,并且更换过程中存在炸灯的安全隐患。 ALPD 荧光激光显示技术光源,光输出覆盖 5000 至 55000 流明,可在 30000 小时使用时间内光衰不超过初始亮度的 30%。同时免除氙灯光 源维护带来的人力成本、购灯成本、炸灯隐患,租赁模式减轻了影院 日常运营维护成本与压力,经济效应已经非常明显。
  • 激光电视主要替代 OLED 大屏电视。大屏是电视的发展方向,目前 60 寸以上大屏电视占比 24%左右,IHS预计到 2025 年占比将超过 40%。 但是传统的大屏电视面临几个限制因素:价格较高和安装不便。

从价格因素看,根据AVC Revounit 报告统计,激光电视 2016 年激光 电视接近 6 万元的市场均价,2018 年已经降至 2 万元附近。光峰科技 2018 年推出小米海外版激光电视,销量至 40583 台,平均单价从2016年的 24861 元降至 2018 年的7556元。

从安装方便性上 讲,激光电视解决 了传统大屏电视 安装复杂且成本高 的痛点。

激光显示竞争格局:激光显示领域的主要市场参与方包括光峰科技、巴 克、IMAX、海信电器、NEC、鸿合科技。其中即将登陆科创板的光峰科技 在激光电影光源部署量、激光电视光机、激光商教机销量排名分别为第 一、第一和第二名。

2.5.4 激光武器:固体光纤激光器在军事领域有重要价值

激光武器是一种定向能新概念武器,利用强大定向发射的高强度激光束 直接毁伤敌方无人机、无人舰、导弹、卫星和人员等目标。与传统武器 相 比,激光 武器具有 速度快 、精度高 、拦截距 离远( 最高可至 上万 公 里)、火力转移迅速、不受外界电磁波干扰、单次发射成本低(激光武 器 1000~3000美元/单次,相比于一枚导弹成本可能在 60-100 万美元左 右)等优点,激光武器可装载在空间站、陆战车、飞机、大型驱逐舰和 步枪上。

美国海军劳斯舰载激光采用的是光纤激光器路线。自1971年以来,美 国激光武器技术路线先后经历了二氧化碳激光器、化学激光器,固体光 纤激光器时代。2010 年美国与科托斯公司签署了 1100 万美元的合同, 科托斯使用 6 台 IPG 公司生产的 5kw 单模光纤激光器,实现总输出功 率 32kw。美国研发的劳斯激光近程防御系统目前已进入成熟发展阶 段,整套系统采购价格只有约 1500~1700万美元(折合 10200~11560万 元) ,单次发射成本极低。

我们认为,随着国产光纤激光器单模功率水平的提升,在“十四五”期 间 , 国产光纤激光器在军事上的应用将得到重要体现。

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2.5.5 非金属材料微加工:超快激光加工成本拐点临近

高功率和超快是激光装备行业的两个主要发展方向。脉冲宽度在 10-12s 和 10-15s 内的激光器属于超快激光器,主要包括飞秒和皮秒激光器,其 激光设备的核心优势在于对材料本身热影响小,广泛应用于消费电子、 医 疗 美容、微机械制造等微加工领域。

超快激光设备通常由超快激光器、外部光路系统、运动控制系统三部分组 成 。 工作过程中,超快激 光器会 作用于 金属或 非金属材 料的表 面,使 得材 料吸收激 光能量后 开始烧 蚀。材 料中的 价带电子 首先吸 收光子 发生电 离形 成自由电 子,当自 由电子 产生的 足够多 而形成“ 临界密 度”等 离子体 结构 时,材料 开始烧蚀 。在激 光钻孔 时,随 着一定频 率脉冲 的不断 冲击, 小坑 会越来越 深,烧蚀 产生的 废材与 熔料越 来越难以 清除, 从而阻 止激光 向坑 底传递能量,最终深度会达到一个饱和状态,形成微孔。

超快激光装备主要受益于手机等消费电子增长。

  • 超快激光在手机上的应用包括 logo 打标、微部件直接成型、激光开 孔、FPC 切割、PCB 打标、激光切割 HOMO 键、蓝宝石 切割、摄像头保护镜片切割、手机内构件焊接。
  • 超快激光器市场增长主要受益于消费电子工艺创新带来的增 量需求以及对传统 CNC 和皮秒加工设备的替换需求。根据大族激光 2018 年年报,公司针对 5G 天线应用场景,实现了用于 LCP 材料 FPC 加工的高端 激光切割/ 钻孔设备 、超高速 贴附设备 的大批量 销售,并在 IC 载板的极小微孔加工方面取得技术突破。
  • 激光在医疗美容领域的应用包括眼科屈光手术、美容方面的祛除纹 身、祛皱、塑性、前列腺手术、脱毛以及牙科领域,市场规模超百亿 元。目前激光医疗美容领域的应用仍以进口装备为主。医疗美容使用 的激光器为 1-150 瓦的连续波以及二极管激光系统。

国内超快激光器市场规模超过 20 亿元,增速超过 30%。

  • 据 OFweek研究中心数据显示,2016 年全球超快脉冲激光器产值为 8 亿美金,预计行业保持 15%的复合增速,到 2020 年将达到 14~15 亿 美金。参考光纤激光器,假设中国超快激光器占全球的一半,到 2020 年,国内超快激光器市场规模将达到 50 亿人民币左右。目前国内超快 激光器市场规模超过 20 亿元,未来 2 年复合增速有望超过 30%。
  • 据《2019 中国激光产业发展报告》,我国 2018 年国产皮秒和飞秒超快 激光器市场销售数量已达到 850 台,同比增速 84.8%。

大族激光和韩国EO在越南竞争时,配置一样的产品就便宜十几万,因为找IPG的部件价格便宜,而且派大批年青工程师去三星的越南工厂日夜调试。EO派出的韩国工程师人少而且头发都白了,实在拼不过。美国公司的自动化激光设备工期要半年,中国公司直接30%报价,工期一个月。而且美国那边是快退休的老工程师做,退休了就没人会做了。

三、工作原理不同

1、光纤激光打标机:由用掺镱双包层光纤作为激光介质,使得高功率光纤激光器能得到接近衍射极限的光束输出,采用光纤激光器为基膜输出,聚焦光斑直径10微米再通过计算机控制高速扫描振镜偏转改变激光光束光路实现自动打标。

2、CO2激光打标机:采用CO2气体充入放电管作为产生激光的介质,当在电极上加高电压,放电管中产生辉光放电,就可使气体分子释放出激光,将激光能量放大后就形成对材料加工的激光束。

3、灯泵YAG激光打标机:采用氪灯作为能量源(激励源),ND:YAG作为产生激光的介质,发出特定波长可以促使工作物质生产能级跃迁释放出激光,将激光能量放大后就形成对材料加工的激光束。

4、半导体侧泵YAG激光打标机:使用波长为 808nm 半导体激光二极管泵浦 ND: YAG 介质,使介质产生大量的反转粒子在Q开关的作用下形成波长1064nm 的巨脉冲激光输出,电光转换效率高。

5、半导体端泵YAG激光打标机:直接从激光晶体的端面将半导体泵浦光(808nm)泵入,经光学镜组输出产生激光。使行光转换效率大大提高。

当然,高科技新产品出来都有一个缺点:贵。对IPG来说,这不是问题,有这么多优点的激光器,卖高价是理所当然的,就算成本高企业也能够大发展。

虽然说CO2和YAG激光器有这样那样的缺点,但是搞出来的大功率激光在工业界还是很有用的。工业界常有这样的例子,老一代产品把市场培养起来,工艺切换,然后新一代产品又实现效率提升。光纤激光器就是用来提升效率的。

1960年,美国休斯实验室的梅曼制成了世界上第一台激光器,用高强闪光灯管来激发红宝石。这里的关键是要有一个“光学谐振腔”,光通过晶体一次放大的倍数并不太高,但是如果两头贴上反射镜,不断来回放大,那就厉害了。一片反射镜再少镀点银漏出一部分光,出来就是人们熟悉的单向性极好的激光了。肖洛的贡献是,把这个光学研究者已经熟悉的手法,引入到激光领域了。汤斯获得了1964年诺贝尔物理学奖,肖洛是1981年获得诺贝尔物理学奖的,可能是1964年名额不够了。

记者问:早上好。在中国,特别是在锐科这个试图上市的过程中,您是否看到竞争环境发生任何变化?

激光是罕见的一发明出来立刻就能实用的技术,1961年就用来动手术了。因为激光的特性实在太突出了,所有光子的一致性特别好,对着一个方向,能量作用于一点,可以比太阳耀眼上百万倍。拿功率大点的激光对准什么东西,切割搞加工都可以。切割、焊接、测量、打标各种用途很多,在通信、工业加工、医疗、美容等无数个行业应用,不断替换传统工艺。

这时,我们终于要说中国了。在前述激光与光纤激光器的科学发展过程中,似乎没中国什么事。但是要说产品贵,产业发展需要降成本,那就是中国的拿手好戏了。

中国公司的选择可以理解,与其投入成果未知的原创研发,不如把一定能实现的狠降成本做好。市场欣赏高性能的产品,但是低成本产品最终会占领主要的市场。中国IT互联网企业会烧钱占领市场挤死对手,但是制造业企业还是会保证利润的。只是在竞争之下,这种利润率不会太高,有时显得把高大上的高科技行业做得格调不高。

其实印度越南人看到这些机器,真要去想,多半会和懂行的中国人一样,认为这种东西没什么难做的。但是印度越南人都不会去做这些机器,实在无利可图。中国人自己做也就10%的利润率,印度越南要在本地生产,各种配套都没有,哪怕是最简单的钣金也不一定有。而且降成本一定要有足够的量。印度越南自己生产一个条件也没有,还是找中国公司买最合算。

对消费者或者工业应用,光纤激光器并不能直接就用,需要做成各种“激光打标机”“激光切割机”来用。中国象大族激光这样的龙头厂家,就是生产打标机、切割机的。IPG生产的光纤激光器,大族激光买来做成加工机器,是天作之合。就算光纤激光器这个部件很贵,大族生产的机器其它成本便宜,最终客户看到的产品就是性能很好,价格可以接受的升级产品。所以中国市场帮了IPG的大忙,整机走量摊薄成本,光纤激光器的应用就繁荣起来,整个产业链滚动发展。

100瓦的CO2激光打标机

美国哥伦比亚大学的物理学家查尔斯·汤斯二战时搞过雷达,战后美国海军想搞出强大光束,汤斯接了任务。1954年,汤斯终于把Maser做出来了,虽然放大的是微波,但是这为Laser的发明作好了准备。1958年,汤斯又和同事兼姐夫的阿瑟·肖洛发现,将氖光灯泡发射的光照在一种稀土晶体上,晶体会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。

IPG为什么不来中国开厂降成本?它一半的生意在中国,中国市场成就了它,到中国开生产厂本来是很正常的思维。

爱因斯坦指出,处于高能级E2的粒子,当频率为V=/h的光子入射时,粒子会以一定概率,迅速地从能级E2跃迁到能级E1,同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子,这叫受激辐射。

IPG五年的股价走势

IPG发言人显然非常不爽,但还是表现了对IPG的信心,认为成本没问题。这里说的锐科,是几个归国博士在武汉创办的光纤激光器企业。其实做光纤激光器的中国企业还有几家,如在深圳的创鑫、杰普特。

YAG激光器,需要用氪气或氙气灯管作为“泵浦灯”,发出光来照到Nd:YAG晶体产生激光。泵浦灯的发射光谱是宽带连续谱,仅少数光谱峰被Nd离子吸收,大部份没被吸收的光谱能量转成了热能,所以能量的使用率偏低。

巴索夫、普罗霍罗夫和汤斯的团队一样,1955年也搞出了一个“Maser”,氨分子束微波激发器,然后自然会想到激光。巴索夫的贡献是,他1958年公开发表论文提出了用半导体制造激光器的想法(在半导体里实现“粒子数反转”的理论描述),1961年又发表了“载流子注入”PN结的文章,并在1963年造出了PN结半导体激光器(美国人按他提出的原理先造出来)。

按美国对高科技公司的理解,客户应该尊重公司给出的技术产品,行业是技术驱动的,客户不能急,要等技术公司做出越来越厉害的产品,销售要等技术人员高大上的研发,工作节奏慢,下班时间找不到人。但是中国公司的理解不一样,虽说是高科技行业,光纤激光器也算是正宗的高科技产品,但硬是弄成了销售公司。客户有需求了,销售就来追了,技术人员就得去客户那现场排错。销售至上,技术服从销售任务。光波这样的美国公司虽然说来降成本了,但是节奏还是对不上,有时订单来了却没货。

锐科代表了中国众多科技企业的烦人倾向:虽然原创不多,但是也能把技术含量不低的高科技产品鼓捣出来。然后在中国特殊的研发环境里,这些中国公司热衷于疯狂地降低成本,以此获得竞争优势。

2009年加彭切夫陪同梅德韦杰夫总统和交通部长索科洛夫参观IPG在俄罗斯的生产基地

到1980年代,作为泵浦的半导体激光器进展很大,光纤随着网络通信的大发展也进步非常大,光纤激光器的技术条件慢慢成熟了。1987年英国南安浦顿大学和美国贝尔实验室证明了掺铒光纤放大器的可行性,取得了关键的科研突破。但是产业突破是加彭切夫1990年创立的IPG坚持多年后实现的。光纤激光器是非常高端的高科技,涉及多个学科。作为泵浦的半导体激光器的功率要能做大,光纤的放大性能也要不断改进。光纤改进的绝招就是在里面加各种稀土元素。IPG是典型的西方国家高科技企业,研发很不简单,产品利润率也高达50%~60%。

但是IPG对中国市场抱怨很大。这也是欧美科技企业的常态,对中国市场爱恨交加,情绪复杂。

半导体激光器的优点非常多:电子直接变成光子,电光转换效率高达50%以上,比其它类型的激光器高多了;使用寿命长达10万小时以上,比其它类型长很多;半导体还能调制输出,别的类型办不到;体积小、重量轻、性价比高,半导体比红宝石之类的材料要便宜。

这是一个产业的故事,但先说点简单的科学常识。

大批消费电子行业企业都在深圳东莞一带,就算是武汉的企业派人过来常驻也容易。产品推出的时候,有问题是一定的,但可以到现场立刻改进,过一阵子就非常稳定了。这样工业激光在消费电子行业就成了标准应用,价格也变白菜了,又普及到其它行业去了。

半导体激光器不如出现在教科书上的红宝石激光器名气大,但是专家们显然清楚半导体激光器的理论意义,潜力要更大,所以三人并列的诺奖给了两个苏联的一个美国的。

一个办法是,让半导体激光器当晶体激光器的泵浦,把二者的优势结合起来。半导体激光器发出的光源,经过晶体激光器“优化”之后,形成高质量的光束再发出去。但是这个方案也有问题,块状晶体吸收波长短的高能量光子,转化为波长较长的低能量光子,总有一部分能量以无辐射跃迁的方式转换为热能。这部分热能如果在块状晶体中散不出去,那就要命了,一会就烧毁了,所以散热问题很重要。

前面说了,半导体激光器优点很多,但是为什么开始没发展起来?因为它有一个致命弱点:发出来的激光质量不行。晶体激光器的输出光束质量高,有很高的时间和空间相干性,号称发射一束激光到月球上只有2公里的光斑。半导体激光器的光谱线宽与光束发散角,比晶体激光器要高几个量级,主要功能不行,那一堆优点就意义不大了。

IPG发言人:相对来说,我们不相信锐科有未来。从产品的质量和在没有外协的帮助下的竞争来看,锐科仅有极其有限的机会,烧蚀市场是疯狂的。对于像锐科这样的中国公司,他们摧毁了市场。他们降价再降价,在很小的利润率范围内运营,他们实际上破坏了市场价格。每一年,,他们的价格几乎下降50%甚至更多,这真是太疯狂了。我们不明白他们是如何工作的,令人难以置信。

这是爱因斯坦提出的又一个诺贝尔奖级别的理论成果,但是直到他去世5年以后的1960年,激光器才做出来。为啥要这么长时间?因为爱因斯坦论文中同时提出的“受激吸收”。光子可能碰上E1能级的粒子,把它变成E2能级,自己消失了,所谓的链式反应也就没了。

YAG激光器

这是真的。在这之前的打标市场很健康,但他们摧毁了市场。现在虽然产量在增长,但在价格方面实际上已经破坏了,即使是中国的主要参与者在打标市场上也根本没有利润。他们正在试图毁掉所有的供应商,当然,我们有更好的机会。我们的制造成本比“我们认为的他们的制造成本”便宜得多。但价格正在下降,这是一个主要问题。产量在增长,但是收入的增长实际上有问题,这影响了低端产品的最终收入。

然而这种守着分寸的企业,也无力抵抗整个技术环境。

激光打标就是用激光在金属或非金属材料上打上精美图案文字。CO2激光机以CO2作为工作物质负责产生激光辐射,一起充入放电管的还有辅助气体氮气和氦气。电极上加高压时,放电管中产生辉光放电,使气体分子释放出激光,能量放大后,形成激光束。打标就通过电脑控制振镜,改变激光束光路实现自动打标。CO2激光机体积大、结构复杂、维护困难。

其实IPG的主要市场就是在中国。IPG搞的是工业激光,中国工业产值世界最高,需求当然也最大。虽然IPG开始是在欧美做,但是中国市场份额越来越高,到2018年2季度,IPG的销售额49%靠的是中国市场。

深圳大族激光生产车间

金属激光打标机

加彭切夫生于1939年,是激光材料物理领域的资深科学家,苏联科学院无线电工程及电子科学研究实验室的负责人,正宗的苏联技术出身。苏联以及解体后的俄罗斯人似乎办企业不太灵,但是加彭切夫行!加彭切夫1990年创立了IPG光子,2006年在纳斯达克上市,2017年营收14亿美元,目前市值60亿美元,是业界最知名的光纤激光器企业。加彭切夫持有IPG近半股份,是亿万富豪,虽然79岁了仍然任公司董事会主席和CEO。

红宝石激光器

看出厉害了不?一个光子变出另一个完全一样的了,这两光子接下去会干啥?没错,这两个又去找别的粒子开火,变成四个了。这个过程就象核爆炸链式反应,光子数量迅速增加,相当于原来的光信号被放大了。“Laser”其实是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写。

让加彭切夫荣誉等身又发了大财的光纤激光器是什么东西?没有光纤激光器之前,市场上用来作材料处理的工业激光主要是气体激光器和晶体激光器。气体激光器,典型代表是CO2激光器。晶体激光器代表是YAG激光器,YAG指的是添加钕或镱的钇铝石榴石。

2010年IPG一台20瓦光纤激光器可以卖到15万以上,现在锐科的报价是8800,IPG实在没法竞争。最后,大族激光自己也搞上了。据说招数很简单,找国产厂家说要几台光纤激光器用用看,让开放接口定义,找些人就山寨成功了,后来就不买了。

激光是20世纪的重大科技发明之一,英文名“Laser”,1964年钱学森建议中文名为“激光”。激光的科学原理“受激辐射”是爱因斯坦1917年提出的,其实挺简单的,高中物理知识就能理解。

在IPG面对的市场,工业激光设备在取代传统加工设备,光纤激光器在取代传统激光器,整个行业看上去一片光明。但是中国公司已经占领了低功率市场,成本降得无法理解。从前苏联传下来的半导体激光技术发展成了光纤激光器,因为中国的巨大需求与降成本推广兴盛起来。这个市场未来会变成什么样,没有人知道

但是真不敢来,被山寨的风险无法承受,所以只在北京开了销售和技术支持公司。IPG还有些技术优势,如2000瓦以上的高功率设备占有率不错。但是这也不能说有多保险,锐科等公司已经在做高功率设备了,1万瓦的都已经有了,只是还不稳定,没有什么本质的困难说做不出来。IPG的股价大跌可以理解。

中国公司可以疯狂降成本,是因为量大产业链齐全。例如光学镜片,德国的要一万,国产的只要一千。气缸导轨之类的部件都国产化了,没有国产化的核心部件很少。国产化推进下,成本降得很快,2015年一台3瓦的紫外激光器卖9万,现在2万的已经出来了。而且中国研发人员多,将产业竞争变成了快速满足客户需求的竞赛。

IPG发言人在2018年7月31日的二季度业绩说明会是这样说的(转自华泰机械研究团队):

一般材料都是受激吸收的粒子多于受激辐射的粒子(低能级E1的多于高能级E2的),所以光通过强度不会放大反而会降低。要产生激光,关键条件是“粒子数反转”,高能级粒子多于低能级粒子。但这个其实也没那么难,回头看1930年代物理学家们就有能力做出来。

大族激光因为和IPG合作赚钱的良好关系,愿意支持IPG,作为大客户也能享受优惠价格。大族激光的主要竞争对手是武汉的华工系公司,锐科推广市场靠的就是同在武汉的华中激光等公司。使用锐科国产光纤激光器的竞品出来时,大族和IPG一起大降价企图挤死对手。

和IPG发言人声称的不同,中国公司确实可以在保证一定利润的前提下猛降成本,没有杀死市场,实际效果是让应用快速推广。实际上工业激光能到现在这个普及程度,靠的就是中国凶猛的降成本和应用推广。印度和越南这样制造业应用需求有一定规模的国家,也用上了中国产的低成本工业激光设备,对锐科的产品还相当认可。三星在越南的工厂就用了大量中国公司的机器。

就算政府补贴去做这种行业,总得有一定的利润率才做得下去,不然长期补贴也不是办法。所以,看似简单容易的东西,反而是不会去做的。

如果能把块状晶体做成细长条,散热面积就非常大了,能解决问题,这其实就是做成光纤的样子。1964年就有人做出了玻璃激光器,晶体用的就是光纤,虽然光源不是半导体激光器的。但那时光纤本身也没发展起来,缺陷很大,光源很难聚焦到光纤,所以这条路线20多年没什么进展。

现在我们来聊光纤激光器。2017年全球工业激光器销售额20亿美元,其中48%是光纤激光器。光纤激光器的关键人物是俄罗斯人瓦伦京·加彭切夫(Valentin Gapontsev)。

2009年,加彭切夫获得了美国激光协会颁发的阿瑟·肖洛奖,这是业界对他学术成就的认可。2010年,加彭切夫获得了俄罗斯国家科技奖,是俄罗斯科技最高荣誉。其实加彭切夫是俄罗斯美国双重国籍,IPG公司总部在美国马萨诸塞,制造工厂在美国、德国、俄罗斯和意大利。但是加彭切夫获这个奖是名正言顺的,公司的创立发展与苏联俄罗斯关系很深。

1960年美国做出激光器后一年,中国马上就由王大珩院士领头在1961年做出了中国第一台激光器(王老2011年去世,刚被选为改革先锋100人之一)。只是1930年代科学家对光学理论与技术不够融汇贯通,没想到去做,别的重大发现很多。这让激光的发明过程多少有一些曲折离奇,是“Maser”先搞出来,才做出了“Laser”。

从IPG的股价走势看,到2018年初,比2014年翻了三倍多,大牛股的感觉。但是2018年就跌了50%,比较惨。这是为什么?是不是大族激光对IPG生了二心,自己搞了光纤激光器?并没有,大族其实是一直支持IPG的。2018年IPG的业绩也继续增长。

其实要理解半导体激光器的优点并不难,虽然一般人可能没留意,但是LED灯是人人都见过的。LED发光的原理就是载流子在PN结里复合时,将多余能量用光的形势放出来,电流直接变成光,而不是象白炽灯泡那样要把灯丝烧热。所以LED灯相对传统灯泡有一堆优点,色彩多、光强可调制、寿命长、成本低之类的,就和上面说的半导体激光器的优点差不多。半导体激光,可以理解成在LED发光的原理上,再加上光学谐振腔的放大效应,而且这个谐振腔也不必新建,在半导体内部就有了。

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