锐科激光为国内第一家专注于光纤激光器研发、生产和销售的厂商,让小编给大家介绍下常见的几种光纤激光打标机

 澳门24小时娱乐     |      2019-12-13 06:38

电工电气网】讯

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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。

这是一个产业的故事,但先说点简单的科学常识。

激光,是一种受激辐射产生的光。从技术原理角度分析,激光产生的三个必要条件包括:粒子的受激辐射、反转分布以及稳定增益。

激光的应用领域十分广阔,以激光器的下游领域划分,主要包括材料加工与光刻、通信与光存储、科研与军事、医疗与美容等等。在这些领域,激光相比传统方式具备材料多元、质量好、经济效益高等优势。国内厂商已掌握大部分激光器元器件制造技术,但光纤介质、高功率激光芯片和光纤光栅核心元器件仍依赖进口,除此之外的核心元器件技术已被掌握,而国外激光器龙头IPG光子、Coherent依靠全产业链整合实现产品低成本和性能高稳定性。锐科激光为国内第一家专注于光纤激光器研发、生产和销售的厂商,主营产品包括脉冲光纤激光器、连续光纤激光器两大系列,具备从材料、器件到整机的垂直整合能力,为国内光纤激光器绝对龙头,国内市占率在15%左右,全球市占率7%左右,仅次于IPG,规模已跻身全球光纤激光器产业第二位。

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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。

激光的理论基础最初在1916年由爱因斯坦提出,简单地说包括受激吸收和受激辐射两个过程:在受激吸收过程中,物质中处于低能级E1的粒子受到能量为hv=E2-E1的光子照射而吸收能量跃迁至高能级E2;在受激辐射过程中,处于高能级E2的粒子,受到能量同样为hv=E2-E1的光子激励,在跃迁至低能级E1的过程中辐射出一个与入射光子具备完全相同状态的光子。经过这两个过程,入射光子数量获得成倍增加,光强增大,形成了光放大效应。

锐科激光

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

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。

基于受激辐射的特性,在持续有光子射入激励的情况下,某些物质中的粒子能够在跃迁至高能级E2之后稳定在次高能级E3,被称之为亚稳态。当这些粒子大量堆积于亚稳态E3并且数量远超过处于低能级E1的时候,就形成了物质中粒子数的反转分布,使得受激辐射数量远大于吸收数量。

激光加工加速渗透,光纤激光器应用前景广阔

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

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。

粒子形成反转分布后,在激励下不断辐射出的光子通过谐振腔持续获得增益,并在满足条件后从谐振腔中射出。

1)传统加工替代空间大,光加工加速渗透。2017年,全球工业激光器市场规模43.14 亿美元,同比增长26.10%,5年复合增速14.76%。随着技术、工艺演进,激光加工成本、效率优势愈加凸显,激光加工不断替代传统机械加工。传统加工仍存在较大替代空间,以相对成熟的激光切割为例,2017年,我国金属切削机床市场规模为184亿美元,出货量为64.3万台,而激光切割设备市场规模为203亿元,中高功率连续光纤激光器的出货量仅为2.62万台。

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。

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。

基于这一系列反应过程,入射光子最终形成同方向、同频率的相干光束,使激光具备高亮度、高方向性、高单色性、高相干性的特点。

2)光纤激光器优势显著,持续挤占CO2、YAG等传统激光器市场。2017年全球光纤激光器市场规模为20.39 亿美元,同比增长33.7%,5年复合增速为24.78%。与传统激光器相比,光纤激光器具有电光转换效率高、光束质量好、散热性能好、结构紧凑,免维护,柔性传输等特点,随着光纤激光器的价格下降、切割工艺的改良、高功率崛起,CO2、YAG等传统激光器市场份额逐步被光纤激光器挤占。2014年,光纤激光器超越CO2激光器成为份额最大的激光光源,在工业激光器中的占比从2013 年的33.82%上升至2017 年的47.26%。

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。

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。

激光器是激光的发射装置,基于激光的产生原理,其核心器件主要包括泵浦源、工作物质和谐振腔三部分。

3)中国步入光加工,市场潜力巨大。伴随着制造业升级和全球制造业向中国转移,我国激光产业发展迅猛,2015年,中国取代欧洲成为激光器最大的消费市场。受益于钣金切割、消费电子、新能源、PCB电路板等加工设备的旺盛需求,2017年国内激光加工设备市场规模达到495亿元,同比增长28.57%,经过2016年增速放缓后,迎来全面爆发,预计2018年国内激光设备市场规模有望突破600亿元。

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。

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”。

泵浦源:

国内光纤激光器龙头,高功率国产化可期。光纤激光器属于技术工艺驱动型产业,高功率光纤激光器的核心技术主要体现在高损伤阈值光学器件制造和工艺,以及非线性效应的抑制、热管理、高功率下模式稳定性控制。锐科激光,具备从材料、器件到整机的垂直整合能力,国内光纤激光器厂商中唯一可对标IPG,在各核心器件均有布局,泵浦封装、合束器/耦合器、传输光缆已实现较高比例的自产,增益光纤和光纤光栅自给比例有望逐步提升。目前,低功率光纤激光器国产化率超过95%;中功率光纤激光器,国产与进口分庭抗礼;高功率光纤激光器,国产化率仅为10%,其中锐科激光占国产高功率光纤激光器的67.2%。从我们草根调研的情况看,目前锐科激光在3300w及以下与IPG的差距不大,已获得到市场认可;2017年6000w实现批量出货,2018年6000w以重点客户为爆点实现放量;万瓦目前处于小批量状态,高功率突破可期。

红宝石激光器

泵浦源在激光器中承担激励源的功能,其目的是使工作物质中的粒子处于反转分布的状态,由于受激辐射的光子数目与入射光子数目和物质中粒子反转分布数目成正比,通过泵浦源的持续激励,工作物质中就能够辐射出大量特征状态一致的光子,形成初始的激光。

快速崛起的光纤激光器龙头

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。

根据激励方式不同,泵浦源主要可以分为电激励、光激励、热激励和化学激励,电激励采用气体放电或电流、电子束注入等方式进行激励,常见于气体激光器、半导体激光器中;光激励采用光源照射激励,多用于固体激光器和液体激光器;热激励和化学激励则通过热能和化学反应进行激励,这两种激励方式比较少见,应用于特定几种激光器中。

1.1锐科激光:国内光纤激光器龙头

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。

工作物质:

锐科激光自成立以来专注于光纤激光器及其关键器件与材料的研发、生产和销售,为激光装备集成商提供光纤激光器产品及解决方案,并提供技术研发服务和定制化产品,是国家火炬计划重点高新技术企业,拥有高功率光纤激光器国家重点领域创新团队和光纤激光器技术国家地方联合工程研究中心,具备从材料、器件到整机垂直整合能力。

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。

如果说泵浦源是激光产生的驱动力,那么工作物质就是泵浦源的主要鞭策对象,驱使他源源不断的辐射出光子。由于激光的产生需要物质中粒子具备反转分布状态,所以就要求工作物质存在亚稳态能级,自1960年美国科学家梅曼发明世界上第一台激光器至今,已经有多种多样符合条件的工作物质被探索出来,按形态不同主要可以分为固体、气体、液体和半导体。按照使用的工作物质种类,激光器相应的也被分为固体、气体、液体、半导体激光器等。

公司产品线丰富,主营产品包括脉冲光纤激光器、连续光纤激光器两大系列,除此之外,直接半导体激光器于2016 年研制成功并对外销售。脉冲光纤激光器包括10-350W的调Q脉冲光纤激光器和10-100W的窄脉宽脉冲光纤激光器;连续光纤激光器包括10-12000W的连续光纤激光器和75-600W的准连续光纤激光器;直接半导体激光器涵盖80-4000W。

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)。

谐振腔:

澳门24小时娱乐官网,光纤激光器广泛用于打标、切割、焊接、增材制造和激光医疗等多种工业、医疗和科研领域,其中,调Q脉冲光纤激光器主要用于打标/雕刻、表面清洗、金属薄片打孔/切割等领域,窄脉宽光纤激光器主要用于氧化铝打黑加工、薄膜切割、太阳能/光伏精密划线等领域,低功率连续光纤激光器广泛应用于激光指示等领域,中高功率连续光纤激光器主要用于切割、焊接、表面处理、增材制造等领域,准连续光纤激光器主要用于精密切割、焊接等。

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。

工作物质通过泵浦源受激辐射出光子后,还需要经过一道“增益”环节来使发射出的激光达到一定阈值,谐振腔就在激光器中承担增益放大的功能。最基础的谐振腔结构可以理解为平行放在工作物质两边的两面不同的反射镜,一面反射率为100%,一面则根据所需要的激光阈值部分透射。由于光强与光子数密度成正比,初始受激辐射产生的光子通过在谐振腔中来回振荡不断穿过工作物质获得持续放大,并最终达到符合要求的阈值。

锐科激光各产品系统

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。

在选用工作物质相同的情况下,谐振腔和泵浦源就成为决定激光器发射光束的质量、性能的关键所在,同时也是激光器的技术核心点。除此之外,激光器中还有耦合器、隔离器、调制器等起到调节光束方向、频率等辅助作用的无源器件,共同组成一个完整的激光器装置。2、以光纤激光器为首的固体激光器器件占据市场主流

1.1.1脱胎于华工激光,背靠航天科工集团

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。

在激光产业链中,激光器件属于激光器的上游零部件,从激光器全球市场看,光纤激光器、半导体激光器和全固态激光器占据主导地位,其中光纤激光器占全球激光器规模的近40-50%,传统的CO2激光器由于功率和转化率限制市场份额呈逐年下降趋势,而液体激光器由于性能原因在实际应用中更加少见,所以相应的在器件市场中,以光纤激光器为首的固体激光器用器件占据主流。

锐科激光于2007年2月由国家“千人计划”专家闫大鹏博士和华工激光合资成立,为国内第一家专门从事光纤激光器及核心器件研发并实现规模化生产的国家级高新技术企业,此前,全球市场几乎被美国IPG和英国SPI两家公司垄断。2011年,航天三江集团受让华工激光、闫大鹏、新恒通所持锐科股权,以相对控股的形式入主锐科激光。

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。

特种光纤:特种光纤是光纤激光器的关键原材料,相比于普通光纤在掺杂元素、工作波长、结构和光学性能上都有其特殊性。激光器中常用的特种光纤包括YDF、GDF和大芯径传能光纤,YDF主要用作光纤激光器的工作物质,通过在光纤纤芯中掺杂稀土元素使其实现光放大效应;GDF主要用作光纤合束器、隔离器以及光纤激光器谐振腔—光纤光栅的原材料;大芯径传能光纤则用于泵浦源、合束器和光纤激光器的输出端,起到激光传能的作用。

航天三江集团隶属于航天科工集团,为我国固体运载火箭研制生产的主体与技术抓总单位,坚持军民融合发展,重点发展商业航天、激光装备等领域。航天三江入主大幅提升锐科激光整体实力及战略地位,一方面航天科工平台对激光器的需求拉动锐科技术突破,另外一方面也为锐科引进领军人才提供平台后盾。

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)。

特种光纤的整体市场规模较小,2017年全球市场规模约为4亿美元,国内约不到8亿元,美国的Nufern、nLight,德国的莱尼等公司以领先的技术优势处于龙头地位,国内的主要供应商有长飞光纤、武汉睿芯和烽火科技等,目前在中低功率光纤激光器用特种光纤领域已实现超过50%的国产替代,高功率场景仍具有一定技术差距。

锐科激光发展历程

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。

除了光纤激光器之外,其他的固体激光器主要采用各种不同的激光晶体作为工作物质。

1.1.2连续光纤激光器为主,向中高功率升级

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

激光晶体:激光晶体由基质晶体和激活离子两部分组成,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。目前应用较广泛的激光晶体包括LBO、BBO、Nd:YAG和Nd:YLF等。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。

公司早期以脉冲光纤激光器为切入点,主要面向打标市场。随着领军技术人才李成博士、卢昆忠博士等的引入,收购增益光纤厂商睿芯光纤,公司在泵浦封装、增益光纤、光纤光栅、合束器/耦合器、传输光缆等上游核心材料及器件上不断取得突破,中高功率连续光纤激光器进展势如破竹。2009年以来,公司陆续推出国内第一台100W、1000W、4000W、6000W和10000W连续光纤激光器,并形成批量化生产,连续光纤激光器业务近三年复合翻番增长,占比逐步提升,下游应用结构逐渐向切割和焊接等领域拓展。

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。

激光晶体的国外供应商有美国的II-VI、VLOC,立陶宛的EKSMA等,国内龙头供应商为福晶科技,是全球最大的LBO和BBO晶体供应商。

2017年,公司连续光纤激光器业务占比已达到75.51%,脉冲光纤激光器业务占比已降至18.42%,技术开发服务占2.08%,其他主营业务占3.91%,主要包括准连续激光器、特种激光器和直接半导体激光器等,处于爆发增长态势。

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。

泵浦源:光纤激光器的泵浦源主要采用半导体激光器,也被称为激光二极管,针对使用YDF作为工作物质的光纤激光器,对应泵浦源的输出波长主要为915nm和976nm。

从连续光纤激光器的出货功率段看:1)2015年以500w、750w为主,1200w批量出货;2)2016年500w、750w高速增长,1000-1500w放量,2200w、3300w实现出货;3)2017年出货功率段集中在750-1500w,2200w、3300w放量,6000w批量出货。总体而言,公司连续光纤激光器出货功率段逐年升级。

100瓦的CO2激光打标机

915nm半导体激光器由于技术门槛较低且对工作温度不敏感已经成为中低功率光纤激光器的主流选择,而对于高功率光纤激光器,976nm半导体激光器由于高吸收率和光光转化率成为国内外企业的突破重点。国外主流厂商Dilas、IPG、Lumentum已大规模转向976nm产品,国内多数相关厂商则只具备芯片封装技术,仅有长光华芯等少数几家公司拥有自主设计能力。目前长光华芯的976nm半导体单管激光芯片已经实现量产,输出功率包含12、13w,平均光电转换效率达到60%。而国外龙头Dilas的976nm单管产品输出功率能够达到60w,光电转换效率相对比较接近。

2017年锐科激光产品结构

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。

固体激光器按照泵浦方式不同可以分为灯泵浦固体激光器和二极管泵浦固体激光器,其中传统的灯泵浦固体激光器由于较低的转化效率和使用寿命已经被市场逐步淘汰,二极管泵浦与光纤激光器泵浦方式类似,只是输出波长、功率等参数指标存在区别。

2014-2017年锐科激光产品结构

YAG激光器

谐振腔:光纤激光器的谐振腔由光纤光栅构成,光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅,可以简单理解为存在于光纤中的反射镜。目前光纤光栅的高端技术基本被加拿大的TeraXion垄断,该公司产品耐受泵浦功率可以达到3kw,国内的供应商长飞光纤产品的耐受泵浦功率已经能达到2kw,实现中高功率光栅国外垄断的突破。3、从下游激光器降本诉求看激光器件的格局演变

2014-2017年锐科激光产品结构

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。

在工业生产中,激光加工相比于传统加工具有高质高效、节能环保等许多优点,然而激光器高昂的价格让许多中小厂商望而却步,延缓了整个激光行业的发展进程。对于激光器厂商来说,降低成本可以提高其产品毛利率、市场竞争力,加速市场渗透。由于激光器生产中原材料占比通常超过80%,降低原材料成本是所有厂商的核心诉求。

2015-2017年锐科激光产品结构

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。

从国内外激光器龙头厂商的动向来看,其降低成本主要有两种方式:第一是提高核心器件的自供比例,第二是由进口器件切换为性价比更高的国产器件。

1.1.3混合所有制典范,保证高效运营

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。

国外激光器龙头公司经过多年的发展基本完成了从核心器件到激光器集成的技术突破和全产业布局。根据国内光电产品导购平台光电汇的数据,2012-2016年,全球光纤激光器龙头IPG10w-2000w的产品均出现不同程度的降价,尤以10w-30w的低功率产品为甚,从7-12万元不等下降至3-6万元,降价幅度接近50%。

锐科激光是央企控股的混合所有制企业,上市后航天三江持有公司34%的股权,仍保持相对控股地位,公司创始人闫大鹏博士、李成博士、卢昆忠博士分别持股10.61%、4.31%、4.31%,民企新恒通持股10.34%,华工激光持股2.41%,公司核心员工杨宏源等38人持股2.36%。锐科激光受航天三江集团管理体系的约束,管理层在集团的考核下负责公司经营,其混合所有制体制,保证了公司高效的运营效率。

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。

对应来看IPG的发展历史,2010年以来,IPG陆续收购了PhotonicsInnovations、Optigrate等一系列拥有光隔离器、光耦合透镜、光纤光栅等器件技术的厂商,进行向产业链上游的纵向整合。同时,公司通过自主研发掌握了晶圆生长、泵浦源、有源光纤等核心器件技术,通过自研+整合完成了从器件到激光器集成的全自供。从其官方披露的数据看,2009年至2017年,公司激光芯片产量由不到30万片上升至超过900万片,同时每瓦特芯片成本累计下滑80%,年均降幅达到18%。

锐科激光股权结构

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。

德国激光器老牌霸主Rofin则分别在1997年和2008年收购了全球半导体激光器龙头Dilas和全球最大的特种光纤和光纤激光模块厂商Nufern并整合了Corelase、m2k Laser等高功率光纤激光器和半导体激光器公司,完成了从半导体泵浦源、光纤耦合器、特种光纤等核心器件到各类高端激光器的全产业布局。2016年,Rofin被美国相干公司收购,使其成为全球最大的激光器和光电子产品解决方案提供商。

1.1.4客户结构仍以第二梯队激光设备商为主

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%。

国内供应商锐科激光、创鑫激光近几年的原材料采购比例也在逐年下滑。根据锐科激光的招股说明书,2015-2017年,公司有源光纤、无源光纤、泵浦源等核心光学器件的采购比例由79.24%下降至65.43%。从创鑫激光的招股说明书来看,公司目前除了芯片组件、高功率光纤光栅和光纤,其他原材料均可在国内进行采购或自主生产,已经实现光纤激光器核心器件泵源由外购到采购芯片组件自行封装的转变。

公司脱胎于华工激光,后由航天三江控股,早期二者作为股东兼客户对锐科激光的技术积累和产品可靠性的打磨起至关重要的作用,随着产品可靠性提升和客户的拓展,来自于二者的收入占比已相对较低。锐科激光是伴随着国内中小激光加工设备商成长起来的,国内高端客户仍然被IPG垄断,2017年锐科激光前五大客户仍以国内第二梯队激光设备商为主。

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。

另一方面,国内光库科技、福晶科技等一系列国产激光器件供应商的出现实现了大部分无源器件的国产替代。光库科技主要供应隔离器、合束器、耦合器等光电子器件,2018年公司实现销售收入2.89亿元,其中国内收入占比53.67%,国外收入占比46.33%。以晶体材料起家的福晶科技同时也供应精密光学元件和激光器件,2018年公司实现销售收入4.91亿元,其中激光器件和精密光学元件合计占比约40%,国内收入占比41.25%,国外收入占比58.75%。

2015-2017锐科激光五大客户营收及占比

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。

国产激光器件产量和市场规模的提升大幅降低了激光器厂商的采购成本。2015-2017年,锐科激光采购泵浦源累计降价幅度达到70%,有源光纤达到45%,无源光纤达到48%。2016-2018年,创鑫激光的原材料采购价格同样存在大幅下降,泵浦合束器、光隔离器、芯片组件多种核心器件的累计降幅超过50%。

1.1.5连续光纤激光器放量,核心材料及器件自给,业绩高增长

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。

从市场竞争看,锐科、创鑫激光等国内厂商的入局打破了国外供应商价格垄断的局面,市场份额占比上,IPG在中国的市场份额从2015年的73%下降至2018年的49%,相对应的锐科和创鑫的市场份额则在逐年上升。产品价格上,2015年,创鑫激光输出功率20w的光纤激光器,售价为1.75万元,锐科为1.8万元,而IPG同类型的激光器售价则高至3-5.8万元,几乎达到国产激光器价格的两倍。

2017年,公司实现营收9.52亿元,同比增长82.01%,实现归母净利润2.77亿元,同比暴增211.31%。2014-2017年,公司营收复合增速为74.39%,主要因连续光纤激光器业务放量,近三年复合翻番增长;归母净利润复合增速为235.37%,增速高于营收,主要因毛利率大幅提升,同时期间费用率因规模效应摊薄。毛利率提升,一是由于高毛利的连续光纤激光器业务占比提升,二是因上游核心材料及器件逐步实现自给,生产成本大幅下降。

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。

在下游激光器厂商的降本诉求影响下,激光器件的产业格局呈现两个方向的演变趋势:

2014-2017年锐科激光营业收入

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。

其一,随着激光器龙头厂商的产业链纵向整合,泵浦源、工作物质、谐振腔等核心器件厂商基本都被收购兼并,以提高其激光器产品的综合竞争力。

2014-2017年锐科激光归母利润

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。

其二,技术含量、市场价值均较低的辅助无源器件产业出于成本考虑则从欧美发达国家向中国等亚洲新兴国家转移,市场竞争进一步激烈。

2014-2017年锐科激光毛利率和净利润率

IPG五年的股价走势

在这样的格局演变下,激光器件公司只有上浮和下沉两条出路,上浮指的是专注于具有高技术门槛的高功率激光芯片、光纤光栅等高端产品;下沉则是指其提供的器件具有极强的成本优势和高性价比,能够抵御中低端产品的激烈市场竞争。中国的光库科技、福晶科技利用本土人力成本优势和资源优势有望在激光无源器件的国际竞争中胜出。4、案例分析

2014-2017年锐科激光归母净利润

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。

4.1、长光华芯-实现高功率半导体激光芯片国产化

1.2上游垂直整合、高功率国产替代,光纤激光器龙头崛起

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):

苏州长光华芯光电技术有限公司是国内少数几家具备高功率半导体激光芯片自主研发能力的高科技公司。公司正式成立于2012年,依托中科院长春光机所的技术支持,目前拥有激光芯片、器件、光纤耦合模块、阵列、直接半导体激光系统五大类产品,其中激光芯片是另外四类产品的核心基础,应用于工业泵浦、激光通信、激光装备、3D传感、生物医学、科研等领域。

锐科激光作为国内第一家专注于光纤激光器研发、生产和销售的厂商,具备从材料、器件到整机的垂直整合能力,为国内光纤激光器绝对龙头。2007-2010年,锐科主要开展光纤激光器工程样机的研制和小规模生产,随着产品可靠性的提高和泵浦封装、合束器/耦合器、传输光缆、增益光纤等核心材料及器件的突破,逐步走向规模生产道路,中高功率连续光纤激光器进展势如破竹,并在近年取得跨越式发展,营收从2014年的2.32亿激增至2017年的9.52亿,国内市占率在15%左右,全球市占率7%左右,仅次于IPG,规模已跻身全球光纤激光器产业第二位。

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?

公司董事长、总经理闵大勇是华工科技前总裁,曾任华日精密、锐科激光董事长、总经理等职务,具有丰富的行业经验和资源积累。常务副总经理兼CTO王俊先后在nlight、Spectra-Physics等公司领导参与多项高功率半导体激光器产品的研发及产业化,技术底蕴深厚。公司研发技术团队中硕士博士占比超过50%,曾承担国家“863”、“973”等多项重点研发计划。

锐科激光的成长逻辑。

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。

截至目前,公司已获得三轮融资,天使轮发生于2012年4月,投资方为苏州华丰投资、英镭光电和奥普光电;A轮发生于2016年9月,投资方为武汉达润投资和东湖创投;B轮发生于2018年8月,投资方为国投创业、中科院创投和苏州橙芯创投,金额1.5亿元。B轮融资完成后,公司下一步会继续提升高功率半导体激光芯片和模块的产能,并开展VCSEL激光雷达芯片的研发以及直接半导体激光器的量产和应用。

1)上游垂直整合:光纤激光器核心材料及器件包括泵浦源、增益光纤、合束器/耦合器、光纤光栅、传输光缆、大功率半导体激光器芯片;公司在泵浦封装、合束器/耦合器、传输光缆已实现较高自给率;于2017年收购睿芯光纤,并实现增益光纤的批量生产,自给率不到3成,光纤光栅处于小批量验证状态,未来增益光纤和光纤光栅自产比例有望提升;暂不具备大功率半导体激光器芯片能力,或为后续突破重点;垂直整合能力的提升,一方面将提高竞争壁垒,另外一方面有助于提升毛利率或价格竞争力。

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。

公司的高功率激光芯片产品包含巴条芯片和单管芯片两类,976nm的单管芯片最高输出功率达到13w,805nm的巴条芯片最高输出功率达到300w。此外,公司的直接半导体激光系统最高功率已经能达到1kw,相比于光纤激光器尺寸更小、光电转化效率更高、成本更低,未来功率进一步提升后在工业加工领域竞争优势巨大。

2)高功率连续光纤激光器国产替代:2017年功率的集中在750-1500w,2200w、3300w放量,6000w批量出货,从我们调研的情况看,目前锐科3300w及以下与IPG差距不大,2018年6000w以重点客户为爆点实现放量,万瓦目前处于小批量状态,高功率国产化可期。

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。

4.1、光库科技-国产激光无源器件先驱

3)横向拓展产品系列:公司产品线以脉冲和连续光纤激光器为主,未来公司将横向拓展直接半导体激光器、飞秒、皮秒超快激光器等,丰富产品系列,直接半导体激光器和超快激光器也是公司募投项目的重心,预计项目达产后将形成年产大功率脉冲及超快激光器3930 台、中高功率半导体激光器所需光纤耦合模块8170 台/套。