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          光纖激光器及其核心元器件市場及國產化概況
          發布時間:2022-04-13    來源:光電匯   閱讀次數:945 分享到:
          導 語
          我國光纖激光器市場規模不斷擴大,激光產業鏈日趨成熟,國產激光器市場占有率大幅度提高,究其根源得益于核心元器件國產化比例的提升。

          最近十多年,我國激光行業迎來了黃金發展時期。尤其是處于中游的光纖激光器,在國家政策大力扶持和相關企業的研發投入下,國產光纖激光器品牌快速崛起。根據《2021年中國激光產業發展報告》數據顯示[1],我國光纖激光器市場從2014年的28.6億元增長到2020年的94.2億元。據中科院武漢文獻情報中心、中國激光雜志社、中國光學學會、光電匯產業研究中心聯合發布的《2022中國激光產業發展報告》最新調研數據顯示,2021年在華光纖激光器市場規模將突破120億元。

          國內外光纖激光器品牌市占率差距逐漸縮小
          1960年美國西奧多·梅曼成功制造出世界上第一臺紅寶石激光器,此后,各種類型的激光器相繼出現。緊隨其后,中國馬上就由王大珩院士領頭在1961年制造出了中國第一臺紅寶石激光器,為中國激光產業的興起奠定了基礎。1961年,Snitzer等人使用光纖作為增益介質制成了世界上第一臺光纖激光器。
          在光纖激光器領域,國內起步相對較晚。在2007年之前,盡管國內高校、研究所等單位在光纖激光器領域開展了大量的研究工作并取得了諸多成就,但國內光纖激光器的產業化和產品化仍然較空白,在本土企業突破激光器核心技術前,激光器技術長期被國外企業壟斷,直接導致激光器設備價格昂貴,限制了激光應用的拓展。
          而當時中國加工制造市場對激光設備需求旺盛,國外以IPG、COHERENT、SPI為代表的廠商們都在積極介入中國市場,與中國廠家共同博弈國內廣闊的加工制造市場,并一直占據著國內大部分市場份額。直到銳科激光、創鑫激光、杰普特等為代表的一批國產廠商崛起,不斷突破技術瓶頸,依托本土市場的優勢,持續搶占市場份額,目前中低功率段完全實現了國產化替代,正在不斷實現高端市場的國產替代。

          國產品牌市場規模占比逐年上升

          2018年,歐美企業在國內的市場份額超過了60%,其中IPG在國內的市場份額近半,占比超49%,穩居第一,而相干、恩耐也分別占據著第四、第五的位置。但近幾年,隨著國內光纖激光器廠商的崛起,國產替代不斷深化。2020年,IPG、恩耐、相干等國外企業在中國市場的銷售額出現不同程度的下滑。IPG在中國的光纖激光器份額已從2019年的41.9%進一步萎縮到2020年的34.6%。相干更是從第五位退至第六位,市場份額下降至3.8%;恩耐位置不變,銷售額略有下降。

          而反觀國產光纖激光器品牌,銳科激光從2018年17.3%的市場份額增長至2020年24.4%,直追IPG;2021年營收已增長至34.1億元,幾乎與IPG中國的市場份額持平(IPG 2021年在中國市場光纖激光器的收入為5.5億美元,折合人民幣34.8億元)。創鑫激光也從2018年個位數8.9%的份額增長至2020年的16.6%;另外如杰普特、飛博激光、凱普林、GW光惠和熱刺激光等國產品牌也快速崛起,擠壓著歐美品牌的市場份額??梢钥吹贸龉饫w激光器國產化程度正在進一步加深,能和歐美品牌分庭抗禮。預計2022年光纖激光器在華銷售份額排名或將洗牌。 

          中低功率領域國產品牌已基本實現替代,高功率競爭加劇
          由于光纖激光器的性能及效率不斷提高和國內廠商的不斷發力,2017年后,光纖激光器的功率有了飛速提升,2019年千瓦級國產激光器銷量實現了反超。從功率來看,目前在國內市場中,中低功率的光纖激光器已完全實現了國產化替代。而3 ~10 kW產品段國內市場的競爭趨于白熱化,價格戰主戰場也從1-3 kW 產品段,轉移至 6-10 kW產品段,萬瓦級成了各廠家角力的焦點,光纖激光器國產替代的趨勢也逐漸向萬瓦延伸。
          隨著近幾年,制造業升級、高端制造、智能制造等逐漸成為國內激光產業關注的新方向,激光技術應用領域越來越廣泛,對激光器功率的要求越來越高,為了滿足高端制造應用市場的需求,更高功率甚至萬瓦級光纖激光器應運而生。
          目前,銳科激光、創鑫激光、飛博激光、光惠激光、大科激光等陸續推出了萬瓦級高功率光纖激光器,而下游設備商如大族激光、奔騰激光、宏山激光、邦德激光等企業集中推出2萬瓦以上功率的激光切割裝備,使得國產高功率激光切割裝備有望大幅替換國外產品。因此,近兩年6 ~10 kW功率段的國產高功率光纖激光器出貨量顯著提高。銳科激光2021年財報顯示,其萬瓦激光器2021年銷售量超過2380臺,其中,6 kW及以上高功率激光器銷量超5900臺。
          相比過去幾年核心元器件受制于進口,隨著資本實力的增強和自主研發實力的提高,10 kW以上功率段的進口品牌與國產品牌的出貨數量已旗鼓相當。這主要得益于國產高功率核心元器件的突破,如高功率光纖光柵、激光芯片等均出現了不同程度的替代,開始追趕國外水平。 

          下面我們主要從光纖激光器的基本結構來看探討其核心元器件,光纖激光器主要由泵源、合束器、光纖光柵、光纖、剝模器、隔離器(脈沖)、激光輸出頭等元器件構成。圖1為中高功率(連續)光纖激光器構成示意圖[2]。

          1)泵浦源
          泵浦源的作用是對激光工作物質進行激勵,將激活粒子從基態抽運到高能級,以實現粒子數反轉。泵浦源是激光器的核心器件之一,主要用于連續光纖激光器和聲光調Q脈沖光纖激光器,其中半導體泵浦源約占光纖激光器總成本比例的50%,甚至更高。
          泵浦源中的核心部件包括激光芯片和慢軸準直鏡(SAC)、快軸準直鏡(FAC)、偏振分束/合束器(PBS/PBC)、反射鏡(Mirror)、聚焦透鏡(Focusing lens)、光纖頭(FTA)等激光光學元器件。圖2為泵浦源元器件示意圖。每個泵浦源需要使用1個偏振分束/合束器和1個聚焦透鏡和1個光纖頭,激光芯片使用數量取決于泵浦源的功率和單芯片功率,而每個激光芯片需要與1個慢軸準直鏡,1個快軸準直鏡和1個反射鏡配套使用。

          目前,銳科激光和創鑫漸實現了泵浦源和COS芯片的全面自主封裝,但高功率激光芯片與進口芯片尚存在一定差距。目前市場上泵浦源的功率以100 W-400 W的為主,且呈現越來越高的發展趨勢。銳科激光的350 W、370 W、500 W泵浦已實現大批量生產,目前泵浦模塊最高能實現700-1000 W的輸出,95%能量的NA處于0.17以內。創鑫激光也早已在2017年便實現了COS芯片自制。
          激光芯片作為半導體泵浦源的核心部件,其功率高低和性能穩定性直接影響輸出激光性能。激光芯片作為國內激光產業鏈十分薄弱的環節,長期以來我國高功率激光芯片幾乎全部依賴進口,進口價格相對較高并且存在技術封鎖。美國Lumentum和Ⅱ-Ⅵ、德國歐司朗等公司具備高功率激光芯片制造能力且可以外銷,而美國 IPG、德國通快、Nlight可以制造該類芯片但不對外銷售。國內如長光華芯、度亙激光、炬光科技、凱普林、華光光電等公司擁有自主設計能力芯片封裝技術。目前,銳科激光主要向長光華芯和銳晶激光芯片公司采購芯片及泵浦源,根據其2022年預計日常關聯交易計劃顯示,2022年采購額達到4億元。創鑫激光2017年也開始自研單管泵源。
          根據長光華芯招股說明書顯示,2020年我國國內市場激光芯片的市場規模為5.29億元。而根據《2021年中國激光產業發展報告》數據顯示[1],2020年我國光纖激光器1-3 kW出貨了約38000臺,3-6 kW出貨了約14000臺,6-10 kW出貨了約2400臺,10 kW以上出貨了約1600臺,如表1所示。根據光電匯推算,2020年我國光纖激光器大致總出貨了56000臺(約194000k W),預計2021年光纖激光器總出貨量將突破10萬臺(約309000k W)。按照市場上常用泵浦源的光光轉化率70%左右,大約70%的工業用單芯片功率為20 W,30%工業用單芯片功率為10 W推算,2020年工業用激光芯片的用量約為2000萬片,預計2021年用量為3190萬片。
          在國內從事激光芯片的研發隊伍中,長光華芯走在了前列,2021年總營收已達4.29億元,凈利潤實現1.15億元,其高功率半導體芯片在國內市場占有率領先。目前,長光華芯已逐步實現高功率、高可靠性、高效率、寬波長范圍單管芯片的國產化,可量產功率達到30 W,波長范圍覆蓋808-1064 nm,電光轉換效率達60%-65%,產品技術水平與國外先進水平同步,下游客戶更是覆蓋了銳科激光、創鑫激光、大族激光、飛博激光等國內主流的激光器廠商。受產業鏈整體價格下降以及國內外廠商的競爭策略影響,芯片價格也呈現下降趨勢。長光華芯目前已在科創板成功上市,激光芯片的國產化大勢所趨。
          光學元器件也是泵浦源的重要組成部分,其損傷閾值、同軸精度、鍍膜質量等直接影響輸出激光性能。其中快軸準直鏡是一種非圓柱面微透鏡,技術難度大,全球范圍內僅少數幾家公司掌握加工技術,市場主要供應商有Limo、Fisba、Svetwheel、海創光電等。幾年前國內該產品完全依賴進口,但隨著炬光科技收購Limo、海創光電自主研發出FAC產品后,國內FAC已實現國產替代,技術也達到國際領先水平。慢軸準直透鏡、反射鏡、偏振分束/合束器、聚焦透鏡、鍍膜光纖等其它泵浦源光學元器件均已實現國產替代,目前主要供應商有海創光電、炬光科技、Fisba、Ingeneric、II-VI、騰景科技等。IPG光纖激光器的泵浦源光學元器件均自產自用,不對外銷售。

          2)光纖
          光纖分為有源光纖和無源光纖,占光纖激光器總成本的10%。無源光纖通過熔接的方式將光學器件各自部分的無源光纖連接實現激光在內部的傳輸,不參與波長的轉換。有源光纖又稱增益光纖,在光纖激光器中起著增益介質的作用,通過實現泵浦光到信號光的能量轉換及在諧振腔內將泵浦光能量放大。另外,特種光纖作為一種在特定的波長上使用的特殊光纖,是光纖激光器中的關鍵原材料,同時也是激光傳輸最便捷的傳輸介質。
          目前國產供應商的無源光纖產品已基本可以滿足生產需求,國產供應商有長飛、上海瀚宇等。在激光器特種光纖領域,上市公司長飛早在2016年就開始涉足,并與創鑫激光和杰普特光電率先開展合作。最終在2018年底,長飛的產品具備了特種光纖的進口替代能力,并成為杰普特光電和創鑫激光的核心供應商。
          自2019年開始,創鑫激光的國產無源光纖采購量已超過85%,國產有源光纖采購量超過了40%。銳科激光對于激光光纖,采取“自產+外購”兩條腿走路的方式。2017年公司收購了控股股東航天三江集團旗下的睿芯光纖,并且開始大量采購睿芯光纖采購特種光纖產品。2021年上半年,睿芯光纖營收實現1.68億元,凈利潤實現1.03億元。 

          3)光纖光柵
          諧振腔的作用是篩選一定方向光子并進行放大。光纖激光器的諧振腔由光纖光柵構成,光纖光柵是一種通過一定方法使光纖纖芯的折射率發生軸向周期性調制而形成的衍射光柵,可以簡單理解為存在于光纖中的反射鏡,可決定激光器的輸出波長與帶寬,可控制激光模式與輸出激光光束質量,是光纖激光器外購部件中成本較高的器件之一,大約占光纖激光器總成本的2%~5%。每臺激光器需光纖光柵2只(即一對)。
          目前,低功率光纖光柵已經能實現國產化并進行市場銷售,而光纖激光器采用的中高功率光柵核心技術方面,國產供應商長飛、光庫科技等也取得了一定的突破,而激光器廠商也實現了自制。銳科激光2017年曾向凌云光、上海瀚宇采購近2000萬元的高功率光柵。據銳科激光2018年年報披露,公司通過自主研發已掌握光纖光柵關鍵技術并實現了規?;a。2019 年其高功率光纖激光器用大模場光纖布拉格光柵及特種光纖順利通過了湖北省科技廳組織的專家驗收。而創鑫激光在2018年以前主要是向國外采購,2018年4月起,創鑫已實現光纖光柵器件的部分自主生產。到2019年二季度,創鑫激光光纖光柵自制率已達 44.6%。創鑫激光的光纖光柵技術不僅覆蓋了單模光纖光柵(芯徑10 μm),也可以生產大芯徑多模光纖光柵(20 μm,25 μm,甚至更大芯徑)。

          4)合束器
          合束器是利用熔融拉錐光纖束技術,將多束光纖合成為一根光纖所形成的器件,它可以將多束較低功率激光合成為一束更高功率激光。合束器主要分為泵浦合束器和功率合束器,其中泵源合束器主要占整個光纖激光器元器件成本的5%。
          泵浦合束器是實現高功率單模塊光纖激光器輸出的關鍵器件;穩定的功率合束器技術是多模激光合束輸出的基礎。攻克光纖合束器的關鍵技術,研制出高效率高功率的光纖功率合束器,為獲得大功率光纖激光提供強有力的支撐,已成為當今光纖激光領域亟需解決的關鍵問題。
          目前國內合束器市場的主要參與者包括銳科激光、創鑫激光等激光器廠商,以及光庫科技、朗光科技以及海創光電等元器件廠商,基本上實現了國產化替代。 

          5)激光輸出頭
          激光輸出頭能夠實現將激光在應用場地遠距離柔性輸出,從而將輸出激光傳導至加工材
          料上,完成激光加工應用。激光輸出頭內部結構復雜,需要同時兼具傳輸、散熱、防回反光、預警等多功能,技術含量很高,占整個光纖激光器成本的3%。
          光纖輸出器件主要作用是進行光纖擴束降低功率密度以便使用,由于激光輸出頭價值量較大,且外購成本較高(萬瓦級的大約在5000元左右,千瓦級的大約在2000元左右),國內主要激光器制造商銳科激光與創鑫激光均已經掌握QBH及準直器技術,基本實現了自產,目前國內廠商QBH器件部分參數上已經與國外廠商相當。

          6)隔離器
          隔離器是一種只允許單向光通過的無源光器件,其工作原理是利用磁光晶體的法拉第效應,使反射的光能夠被隔離器很好的隔離,提高光波傳輸效率。隔離器允許光以較低損耗從一個方向透過,同時以較大損耗阻止光反向通過。它放置在發射光路上,避免激光器在反射光下引起的性能劣化。
          幾年前,激光隔離器主要由EOTechnology公司生產。目前我國的激光隔離器已經批量生產,實現國產化替代。除IPG自產自用激光隔離器外,激光隔離器市場曾經主要由EOTechnology公司占據主導地位,隨著國內企業競爭力不斷增強,EOTechnology逐漸退出激光隔離器市場的競爭,目前市場上用于工業激光器的隔離器玩家主要是福晶科技、光庫科技和海創光電,大約各占1/3的市場份額,形成“三分天下”的局面。

          小 結
          光纖激光器具有泵浦源、光纖光柵、合束器、隔離器等一系列核心部件。早年間,核心部件依賴進口導致光纖激光器制造成本居高不下限制了國內企業發展。
          為了降低光纖激光器的生產成本,國產激光器品牌不同程度地實現了核心元器件自制,銳科激光已掌握包括泵浦源、特種光纖、光纖耦合器、傳輸光纜、功率合束器、光纖光柵等激光器核心器件及材料的關鍵技術和大規模生產能力。創鑫激光的泵源、合束器、光纖光柵、激光輸出頭、剝模器、隔離器、聲光調制器、模式匹配器等90%以上的核心光學器件均已具備自產能力。此外,飛博激光也不同程度地實現了部分元器件自制,攻克了大部分無源光學器件的研發工藝。而凱普林光電在泵源、光纖光柵、合束器和光纖連接器等領域也均實現了自制。
          國內激光產業鏈上游的光器件產業起步較晚,技術不夠成熟,質量及穩定性難以滿足市場需求,在此前都依靠進口產品,尤其是高功率核心器件,如芯片、光纖光柵等。但隨著近兩年國產元器件品牌的崛起,國內多家器件商布局產業鏈上游,如長光華芯、長飛光纖、光庫科技、海創光電、炬光科技、福晶科技、騰景科技等已掌握大部分器件制造技術,高功率光纖激光器產業鏈已基本實現進口替代,即使是技術難度較的高功率激光芯片(長光華芯)、高功率光纖光柵(長飛光纖)、快軸準直鏡(海創光電)等也已有國內供應商,核心器件的國產化有望進一步提升。但同時也要看到,國內激光核心零部件領域仍較薄弱,尤其是激光芯片領域,在性能、穩定性上還不具有全面替代國外產品的實力,仍處于起步階段,但未來可期。 
          參考文獻
          1、《2021中國激光產業發展報告》.中國激光雜志社,中國科學院武漢文獻情報中心,中國光學學會
          2、光纖激光器降本分析.國盛證券
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