中國超快激光器應(yīng)用場景及優(yōu)勢發(fā)展趨勢分析[圖]

    一、概況

    超快激光器是指輸出激光的脈沖寬度在皮秒（10-12秒）級(jí)別、或小于皮秒級(jí)別的脈沖激光器，根據(jù)輸出激光的脈寬不同，超快激光器又可分為皮秒激光器、飛秒激光器、阿秒激光器等。超快激光是能量激光領(lǐng)域最重要的技術(shù)方向之一，作為一種新興的材料加工技術(shù)手段，在加工精度方面有著顯著優(yōu)勢。隨著技術(shù)的逐漸成熟和成本不斷下降，超快激光市場有望在未來幾年迎來爆發(fā)。

激光器不同的分類方式

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    1、連續(xù)激光器

    在工作時(shí)間內(nèi)連續(xù)輸出穩(wěn)定能量波形的激光器，其特點(diǎn)是功率較高，能夠加工體積大、熔點(diǎn)高的材料，如金屬板材等。

    2、脈沖激光器

    以脈沖形式輸出能量，根據(jù)脈沖寬度，脈沖激光器可進(jìn)一步分為毫秒激光器、微秒激光器、納秒機(jī)關(guān)器、皮秒激光器、飛秒激光器、及阿秒激光器等；如果一臺(tái)脈沖激光器所輸出激光的脈寬在1-1000ns之間，稱之為納秒激光器，以此類推；將皮秒激光器、飛秒激光器、及阿秒激光器等，稱作超快激光器。脈沖激光器的功率遠(yuǎn)低于連續(xù)激光器，但加工精度高于連續(xù)激光器，且一般情況下，脈寬越窄，加工精度越高。

    3、準(zhǔn)連續(xù)激光器

    介于連續(xù)激光器和脈沖激光器之間，可以在一定周期內(nèi)重復(fù)輸出比較高能量的激光，理論上來說也是一種脈沖激光器。

物質(zhì)微觀體系中各瞬態(tài)現(xiàn)象的時(shí)間尺度

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    超快激光是激光行業(yè)增長最快的細(xì)分領(lǐng)域之一，未來有望廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療生物、航空航天、消費(fèi)電子、照明顯示、能源環(huán)境、精密機(jī)械等行業(yè)。2017年全球超快激光器市場規(guī)模超過9億美元，到2020年有望超過25億美元。2017年中國超快激光器市場約13.5億RMB，預(yù)計(jì)2020年超過50億RMB。

    二、應(yīng)用場景

    超快激光在真正意義上實(shí)現(xiàn)了冷加工，在精密加工方面有顯著優(yōu)勢，隨著超快激光器的生產(chǎn)工藝逐漸成熟，成本逐漸下降，未來有望廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療生物、航空航天、消費(fèi)電子、照明顯示、能源環(huán)境、精密機(jī)械等下游行業(yè)。

超快激光器主要的下游行業(yè)

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    1、醫(yī)療美容

    超快激光可用于醫(yī)療中的眼科手術(shù)設(shè)備和美容設(shè)備。飛秒激光被用于近視手術(shù)，被譽(yù)為繼波前像差技術(shù)之后“屈光手術(shù)的又一次革命”。近視患者的眼軸大于正常眼軸，使得在眼球調(diào)節(jié)松弛狀態(tài)下，平行光線經(jīng)眼的屈光系統(tǒng)折射后的焦點(diǎn)落在視網(wǎng)膜之前。飛秒激光手術(shù)可以去除眼軸維度上多余的肌肉，使眼軸距離恢復(fù)正常。飛秒激光手術(shù)具有準(zhǔn)確性高、安全性高、穩(wěn)定性高、手術(shù)時(shí)間短、舒適性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前最主流的近視手術(shù)手段之一。

正常視力者與近視患者眼軸距離的不同

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    在美容方面，超快激光可用于去除色素和原生痣、去除紋身等，也可以用來改善肌膚的衰老情況。

    2、消費(fèi)電子

    超快激光適用于消費(fèi)電子制造過程中的硬脆透明材料加工、薄膜加工、精密打標(biāo)等。手機(jī)鋼化玻璃和藍(lán)寶石是消費(fèi)電子原材料中比較有代表性的硬脆透明材料，尤其是藍(lán)寶石，由于其硬度高，脆性大，使用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式效率和良品率很低；藍(lán)寶石現(xiàn)在已經(jīng)比較廣泛的應(yīng)用于智能手表、手機(jī)攝像頭蓋板、指紋模組蓋板等；納秒紫外激光和超快激光是目前切割藍(lán)寶石的主要技術(shù)手段，超快激光的加工效果比紫外納秒激光更好。此外，攝像頭模組、指紋模組使用的加工方式，也以納秒和皮秒激光為主。未來柔性手機(jī)屏（可折疊屏）的切割、及對(duì)應(yīng)的3D玻璃鉆孔，主流技術(shù)也大概率是超快激光。

    超快激光在面板制造中，也有重要應(yīng)用。OLED偏光片的切割、LCD/OLED制造過程中的剝離及修復(fù)，都可使用超快激光。

    3、顯示照明

    超快激光在顯示照明領(lǐng)域的應(yīng)用主要是指LED晶片的劃線和切割，這也是超快激光適合硬脆材料加工的又一例證，超快激光加工的截面平整度高，崩邊顯著減少，效率和精度都大大提升。

    4、光伏能源

    超快激光在光伏電池的制造中應(yīng)用空間廣闊。例如在CIGS薄膜電池的制造中，超快激光可替代原有的機(jī)械劃線工藝，顯著改善劃線質(zhì)量，尤其是對(duì)于P2、P3劃線環(huán)節(jié)，可以做到幾乎沒有崩邊現(xiàn)象，也沒有裂紋和殘余應(yīng)力。

CIGS薄膜模組制程

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    5、航空航天

    為提高渦輪葉片的性能和使用壽命，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，需要采用氣膜冷卻技術(shù)，這對(duì)氣膜孔加工技術(shù)提出了極高的要求，2018年西安光機(jī)所開發(fā)出國內(nèi)最高單脈沖能量的26瓦工業(yè)級(jí)飛秒光纖激光器，并研制出系列化超快激光極端制造裝備，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜孔的“冷加工”突破，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，這種加工方法較電火花加工等方法精度更高，成品率大大提升。

    超快激光還可應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的精密加工，加工精度的提升，有助于碳纖維等復(fù)合材料在航空航天等高端領(lǐng)域的應(yīng)用拓展。

    目前超快激光器價(jià)格仍較昂貴，我們預(yù)計(jì)隨著其國產(chǎn)化并價(jià)格下降，在眾多行業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用指日可待。國內(nèi)一部分行業(yè)先行者，已經(jīng)在生產(chǎn)超快激光加工設(shè)備，并取得了較好的市場反饋。如德龍激光已推出了基于超快激光技術(shù)的OLED模組激光精切設(shè)備、超快（皮秒/飛秒）激光打標(biāo)設(shè)備、皮秒紅外顯示屏玻璃倒角激光加工設(shè)備、皮秒紅外玻璃晶圓激光切割設(shè)備等多種類型產(chǎn)品。

    全球來看超快激光處于快速發(fā)展階段，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和預(yù)測，2017年全球超快激光器市場規(guī)模超過9億美元，到2020年有望超過25億美元；2017年中國超快激光器市場約13.5億RMB，預(yù)計(jì)2020年將超過50億RMB。

2015-2020年全球超快激光器市場規(guī)模及預(yù)測（億美元）

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2015-2020年中國市場超快激光器市場規(guī)模及預(yù)測（億元）

    三、行業(yè)發(fā)展趨勢

    從國內(nèi)用戶的視角來看，超快激光器的供應(yīng)商可分為兩類：一類是以通快、相干、NKT、光譜物理等為代表的海外激光器廠商，另一類是近幾年快速追趕的國內(nèi)廠商。

    中國是全球最大的電子產(chǎn)品制造國，全球每年超過90%的手機(jī)和電腦生產(chǎn)自中國，面板、集成電路等高端產(chǎn)能也正在大規(guī)模向大陸轉(zhuǎn)移，可以說中國是超快激光應(yīng)用場景最多、市場空間最廣闊的地區(qū)。近年來中國的超快激光創(chuàng)業(yè)企業(yè)如雨后春筍，并且技術(shù)快速突破，進(jìn)口替代的大幕正在拉開。

    1、國內(nèi)占有優(yōu)勢：

    中國將是超快激光器最大的應(yīng)用市場：超快激光高精度的特點(diǎn)，尤其適用于3C產(chǎn)品的制造，而中國是全球最大的3C產(chǎn)品的生產(chǎn)基地，每年全球超過90%的智能手機(jī)和筆記本電腦在中國生產(chǎn)，集成電路、面板的高端產(chǎn)能近年來也正大規(guī)模向國內(nèi)轉(zhuǎn)移，帶來了智能制造、精密制造的巨大應(yīng)用市場。

    中國擁有全球最完整的工業(yè)體系：經(jīng)過過去幾十年的發(fā)展，中國形成了從上游材料到下游應(yīng)用的完整工業(yè)體系，使得設(shè)備的制造成本相對(duì)較低，加上國家政策支持，產(chǎn)研轉(zhuǎn)換環(huán)境大大改善，為超快激光器的產(chǎn)業(yè)化提供了良好的土壤，也使得國產(chǎn)超快激光器相對(duì)于進(jìn)口產(chǎn)品來說，可以有較大的性價(jià)比優(yōu)勢。

    高端人才的大規(guī)?；亓鳎涸诩す庑袠I(yè)，高端人才的回流在加快，這為超快激光的技術(shù)突破打下了人才基礎(chǔ)。目前國內(nèi)的超快激光生產(chǎn)廠商如華日激光、安揚(yáng)激光等都是由海外歸國人才所創(chuàng)立。良好的創(chuàng)業(yè)環(huán)境和各種地方政策大力支持，使得海外高端人才回國發(fā)展，正在成為一種大趨勢。

2015-2018年國產(chǎn)超快激光器銷售數(shù)量

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    超快激光器的兩大核心訴求：高穩(wěn)定性的超短脈沖、高脈沖能量?？梢岳面i模技術(shù)獲得超短脈沖，利用CPA放大技術(shù)獲得高脈沖能量，其中涉及的核心部件包括振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器等。

飛秒激光器結(jié)構(gòu)示意圖

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    超快激光器的芯片、特種光纖、布拉格光柵、泵浦源等，大多由專業(yè)的電子制造企業(yè)生產(chǎn)。芯片（20%-30%）+光纖（15%-20%）+泵浦源（20%）占了超快激光器總成本的約70%，該領(lǐng)域比較知名的公司包括芯片制造企業(yè)Lumentum、特種光纖制造企業(yè)。

    2.芯片

    激光芯片分為激光器芯片(發(fā)射端)和探測器芯片(接收端)，其中，激光器芯片技術(shù)壁壘高，是光芯片中的“明珠”。從目前DFB/EML/VCSEL三大高端激光器芯片市場來看，美國和日本光器件廠商仍然占據(jù)市場主導(dǎo)，包括Finisar、Avago、三菱、Lumentum、II-VI等公司。2018年，Lumentum（原行業(yè)第二）以約18億美金的價(jià)格收購了Oclaro（原行業(yè)第三），兩者合并之后，銷售額一舉超過了Finisar（原行業(yè)第一），成為新的行業(yè)第一。近年來，受益于蘋果公司對(duì)用于3Dsensor的VCSEL激光器的海量需求，Lumentum與Finisar成為光器件行業(yè)內(nèi)最火熱的廠商。國內(nèi)具備VCSEL芯片量產(chǎn)制造能力的廠商主要是光迅科技和華芯半導(dǎo)體。此外，受到市場關(guān)注的芯片企業(yè)包括山東太平洋、深圳源國、國星光電、華工科技、三安光電及臺(tái)廠全新光電、晶元光電、環(huán)宇以及給蘋果供應(yīng)VCSEL芯片的穩(wěn)。

    3、特種光纖

    NKT公司是全球領(lǐng)先的高性能光纖激光器、光纖傳感系統(tǒng)和光子晶體纖維供應(yīng)商，全球超快光纖激光器所使用的光子晶體光纖被丹麥NKT公司占據(jù)大部分市場份額，NKT公司于2017年下半年收購瑞士超快激光制造商Onefive公司，開始大規(guī)模出貨飛秒激光器和皮秒激光器。此外，CorActive（已被大族激光收購）和Nufern（現(xiàn)為相干子公司）也具備特種光纖的生產(chǎn)能力。國內(nèi)公司中，安揚(yáng)激光自建了光纖拉絲塔，可生產(chǎn)40余種各種用途的特殊光纖，擺脫了西方公司對(duì)光纖激光器產(chǎn)業(yè)鏈的控制。

    4、光柵

    脈沖展寬器和壓縮器需要一種特殊的反射型布拉格光柵。由于在光束傳播的方向上光柵的周期逐漸發(fā)生變化，當(dāng)光從一個(gè)方向入射時(shí)，激光脈沖將在時(shí)間上進(jìn)行展寬；當(dāng)光沿相反方向傳播時(shí)，激光脈沖將在時(shí)間上被壓縮。啁啾體布拉格光柵產(chǎn)品專為飛秒及皮秒脈沖展寬和壓縮而設(shè)計(jì)。美國OptiGrateCorp是啁啾體布拉格光柵技術(shù)（VBG）的先驅(qū)，在該領(lǐng)域占據(jù)全球領(lǐng)導(dǎo)地位。2017年OptiGrateCorp被全球光纖激光器龍頭IPG收購。此外，美國的ONDAX公司也具備制造布拉格光柵能力。目前國內(nèi)VBG生產(chǎn)商較少，依然需要大量從海外進(jìn)口，國內(nèi)的代理商包括上海昊量、筱曉光子等公司。

    核心零部件是每家超快激光企業(yè)的必爭之地，未來隨著核心零部件技術(shù)的突破，國內(nèi)超快激光器的成本還有巨大的下降空間，國產(chǎn)超快的性價(jià)比有望進(jìn)一步提升。

國內(nèi)外超快激光核心零部件供應(yīng)商

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    隨著超快激光應(yīng)用場景不斷成熟落地，有望復(fù)制高功率光纖激光器進(jìn)口替代的道路。

    應(yīng)用場景從高端向中低端下沉，超快激光加工設(shè)備的市場規(guī)?？焖僭鲩L：超快激光很有可能成為新一代精密加工的主流方式，超快激光器的國產(chǎn)化，將帶動(dòng)其售價(jià)降低，隨著應(yīng)用場景越來越多，超快激光加工設(shè)備的投資機(jī)會(huì)有望先于激光器出現(xiàn)。

    超快激光器的進(jìn)口替代：雖然目前中國超快激光器仍主要依賴進(jìn)口，但國內(nèi)激光器廠商在技術(shù)上進(jìn)步迅速，隨著關(guān)鍵技術(shù)的持續(xù)突破，國內(nèi)供應(yīng)商有望打開進(jìn)口替代的廣闊空間，隨著核心零部件的技術(shù)突破，優(yōu)秀的企業(yè)有望實(shí)現(xiàn)收入和毛利的雙增長。

    下游新技術(shù)應(yīng)用帶來超快激光市場爆發(fā)的可能性：折疊屏、陶瓷外殼等滲透率的提升，有可能帶來超快激光市場爆發(fā)。

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