激光产业链系统报告之三：解构激光器核心元器件：国产化破冰而立.pdf

谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 1 证券研究报告 行业 研究 /深度研究 2018年 07月 22日 机械设备 增持（维持） 章诚 执业证书编号： S0570515020001 研究员 021-28972071 zhangchenghtsc 肖群稀 执业证书编号： S0570512070051 研究员 0755-82492802 xiaoqunxihtsc 关东奇来 021-28972081 联系人 guandongqilaihtsc 黄波 0755-82493570 联系人 huangbohtsc 1机械设备 : 真空高铁走向中国，未来载具添新梦 2018.07 2机械设备 : 半导体测试设备国产化机遇正当时 2018.07 3机械设备 : 激光器海外观察：全球龙头知多少 2018.07 资料来源： Wind 解构激光器核心元器件 ： 国产化破冰而立 激光产业链系统报告之三 激光器元器件：部分实现进口替代，关键 技术 亟待推进 国内厂商已掌握大部分器件制造技术，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。 目前国内厂商毛利率水平较高， 核心元器件若进一步国产化有望 为国内厂商业绩提供充足支撑。 增益介质 与泵浦源 ：实现 关键制造 工艺， 核心器件 仍依赖进口 增益介质主要作用是产生光子，一般采用掺杂稀土元素的光纤作为增益介质。 泵浦源的作用是对增益介质进行激励使其辐射发光。 光纤介质与国外最先进技术尚存在差距，在售产品参数上较接近但是稳定性和一致性有待提高。国内厂商虽然掌握泵源制造技术，但核心激光芯片仍依赖进口。 谐振腔：低功率已国产化， 高功率光纤光栅依赖于进口 谐振腔的作用 是 筛选一定方向光子并进行放大 ，低功率光纤光栅已经能实现国产化并进行市场销售，但光纤激光器采用的中高功率光栅大部分仍依赖进口 。 光纤合束器：完成规模化生产，最高功率待进一步提高 光纤合束器主要作用是进行光束合成增大输出功率。 目前国内主要激光器制造商锐科与创鑫都已掌握合束器制造核心技术并实现规模化生产 ，但是国内厂商在输出功率上与国外龙头公司 Coherent、 IPG 等仍有差距 。 光纤输出器件（ QBH）：达成小批量自制 ，部分参数与国外 相当 光纤输出器件主要作用是进行光纤扩束降低功率密度以便使用， 国内主要激光器制造商锐科与创鑫已经掌握 QBH 及 准直器技术，目前国内厂商QBH 器件部分参数上已经与国外厂商相当 。 毛利率： 目前 处于较高水平 ，元器件持续国产化 可 提供业绩支撑 从国外龙头公司情况来看，整合元器件产业链可以带来较高毛利率。国内厂商目前毛利率水平较高，但增益介质、激光芯片和光纤光栅仍依赖于进口，核心 元器件若 进一步国产化 有望 为业绩 提供充足支撑 。 风险提示：宏观经济增速不及预期，原材料价格上涨风险，高功率激光器研发不及预期。 (25)(14)(4)71817/07 17/09 17/11 18/01 18/03 18/05(%)机械设备 沪深 300一年内行业 走势图 相关研究 行业 评级： 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 22 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 2 正文目录 激光器元器件：部分实现进口替代，关键技术亟待推进 . 4 增益介质：实现稀土掺杂双包层石英工艺，距离量产仍有一定差距 . 5 泵浦源：国内厂商突破泵浦源制造，核心激光芯片依 赖进口 . 6 谐振腔：低功率已国产化，国外品牌占据国内大部分市场份额 . 9 光纤合束器：完成规模化生产，最高功率待进一步提高 . 11 光纤输出器件（ QBH）：达成小批量自制，部分参数与国外厂商相当 . 12 毛利率：目前处于较高水平，元器件持续国产化可提供业绩支撑 . 13 风险提示 . 14 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 22 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 3 图表目录 图表 1： 典型激光器光学系统 . 4 图表 2： 国内外激光器厂商主要元器件掌握图 . 4 图表 3： 光纤激光器用特种光纤技术演变图 . 5 图表 4： 掺镱光纤技术发展对比 . 5 图表 5： 国内外公司主要稀土掺杂光纤产品对比 . 5 图表 6： 2015-2017年锐科激光采购有源光纤总成本及占比 . 6 图表 7： 2015-2017年锐科采购连续 型无源光纤器件价格（万元 /套） . 6 图表 8： 激光产生示意图 . 6 图表 9： 915nm 泵浦源产品与 976nm 泵浦源产品 . 7 图表 10： 泵浦源封装形式 . 7 图表 11： 国内外公司泵浦源生产供应状况 . 8 图表 12： 2015-2017年锐科激光采购泵浦源成本及占比 . 8 图表 13： 2015-2017年锐科采购不用类型泵浦源价格（万元 /套） . 8 图表 14： 2014-2016年创鑫激光采购泵浦源成本及占比（ 10W-58W） . 9 图表 15： 2014-2016年创鑫激光采购泵浦源成本及占比（ 140W 以上） . 9 图表 16： 谐振腔简要运作原理 . 9 图表 17： 国内主要激光器厂商光栅研发项目 . 10 图表 18： 2015-2017年锐科激光采购无源光纤器件成本及占比 . 10 图表 19： 2015-2017年锐科采购连续型无源光纤器件价格（万元 /套） . 10 图表 20： 光纤合束器类别与作 用 . 11 图表 21： 泵浦合束器示意图 . 11 图表 22： 功率合束器示意图 . 11 图表 23： 国内主要激光器厂商光栅研发项目 . 11 图表 24： QBH与外部光学产品图 . 12 图表 25： 国内外供应商 QBH参数对比 . 12 图表 26： 2008-2017 年 IPG 光子与 Coherent 相干公司毛利率变化图 . 13 图表 27： 2014-2017年锐科激光分产品毛利率与总毛利率 . 13 图表 28： 2014-2016年创鑫激光分产品毛利率与总毛利率 . 13 图表 29： 2015-2017年锐科激光分产品平均售价（万元 /套） . 14 图表 30： 2014-2016年创鑫激 光分产品平均售价（万元 /套） . 14 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 22 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 4 激光器 元器件 ： 部分 实现进口替代 ， 关键 技术 亟待推进 典型的光纤激光器主要由光学系统、电源系统、控制系统和机械结构四个部分组成 ，其中光学系统由 增益介质 、泵浦源 、 谐振腔（光纤光栅） 、 光纤合束器 及 光纤输出器件（ QBH）等光学器件材料通过熔接形成全光纤激光器 图表 1： 典型激光器光学系统 资料来源： 锐科激光招股说明书 ，华泰证券研究所 国内厂商已掌握大部分器件制造技术，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。目前国内厂商毛利率水平较高，核心元器件若进一步国产化可以为国内厂商业绩提供充足支撑。 图表 2： 国内外激光器厂商主要 元器件 掌握图 资料来源： 锐科激光 、 创鑫激光招股说明书， IPG光子 、 Coherent 公司官网， 华泰证券研究所 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 22 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 5 增益介质 ： 实现 稀土掺杂双包层 石英 工艺 ，距离量产仍有一定差距 增益介质 主要作用是产生光子， 光纤激光器主要采用掺杂稀土元素的光纤作为增益介质 。其工作原理是泵浦光首先经过耦合系统耦合进入掺杂稀土离子的 增益介质 ，随后掺杂纤芯中的稀土离子吸收泵浦光子能量发生能级跃迁 。 稀土掺杂双包层石英光纤技术成为关键 点之一 。 掺杂光纤的发展起源于光纤激光器的研究，1963-1964 年光纤激光器和放大器概念 被提出 ， 受限于功率损耗直到 1970年康宁公司开发出衰减小于 20dB/km 的光纤 才 使得光纤激光器逐步商用化；上个世纪 80年代末出现稀土掺杂双包层石英光纤技术， 成为了高功率光纤激光研究的关键技术之一 ； 为解决传统单模缺陷， 大模场面积双包层有源光纤成为目前有源光纤研制的热点 。 目前 ，稀土掺杂双包层晶体光纤 （ PCF） 的出现突破了稀土掺杂双包层石英光纤工艺极限， 为新的光纤研究带来了新的可能和机遇 。 图表 3： 光纤激光器用特种光纤技术演变图 资料来源：中国科学技术协会，华泰证券研究所 图表 4： 掺镱光纤技术发展对比 技术名称 创新 点 不足 稀土元素掺杂光纤 耦合难 ， 功率较低 稀土掺杂双包层石英光纤技术 解决耦合效率问题，迅速提高输出功率 仍属于传统单模，非线性作用较强， 无法得到 高脉冲能量出 大模场面积双包层有源光纤 增加纤芯面积，克服了非线性作用，储能增大 可实现高脉冲能量和高光束质量的激光输出 纤芯直径无法自由设计 纤芯和内包层的折射率差不能精确控制 稀土掺杂双包层 PCF 模场面积足够大 ， 数值孔径可以轻易突破石英光纤极限 仍处于研制 状态 资料来源： 中国科学技术协会 ， 华泰证券研究所 光纤介质与国外 最先进技术 尚 存在差距，在售产品参数上较接近但是稳定性和一致性有待提高 。 稀土掺杂光纤属于特种光纤 ， 相比普通光纤在制备工艺上更为复杂 ， 技术要求更高 。在特种光纤领域 ， 国内形成规模厂家较少 ， 产能不能满足需求 ， 相当一部分光纤预制棒依赖于进口 。 目前 国 外主要厂商有美国 Nufern（ Coherent） 、美国 Nlight等，国内厂商有长飞光纤、烽火科技、武汉睿芯等。 美国 Nufern 公司属于激光器巨头 Coherent（相干）子公司，推出了三包层超大模场掺镱光纤，以领先的技术优势处于光纤市场龙头 地位。 图表 5： 国内外 公司主要 稀土掺杂光纤 产品对比 公司 采用技术 产品状态 /价格 纤芯直径 ( m) 包层直径 ( m) 纤芯数值孔径 NA Nufern 超大模场掺镱光纤 （三包层） 出售 1030 美元 /米 290.020.0 40018 0.1100.010 Nlight 双包层大模场掺镱光纤 出售 20.0 1.5 400 10 0.070 0.005 长飞光纤 双包层 大模场 掺镱光纤 出售 20.0 2.0 400 15.0 0.06 0.01 烽火科技 双包层掺镱光纤 出售 20.0 2.0 400 5.0 0.075 0.005 武汉睿芯 双包层大模场掺镱光纤 出售 20.0 1.5 400.0 10.0 0.065 0.005 资料来源： Nufern、 Nlight、 长飞光纤 、 烽火科技 、 武汉睿芯公司官网， 华泰证券研究所 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 22 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 6 在增加研发投入提高技术实力外， 激光器厂商也 会 通过资本运作 方式 购并 元器件 生产厂商 。IPG 光子公司实行 垂直整合策略 ， 能设计制造所有关键部件 ， 包括有源无源光纤 。 2017年锐科激光 完成对 武汉睿芯 85%股权 收购 ， 该公司 主要从事特种光纤研发生产 。 由于激光器元器件 国产化进程加快使得配套企业增加， 国内激光器厂商对国产原材料规模加大，采购价格呈下降趋势。 图表 6： 2015-2017 年锐科激光采购 有源光纤总 成本及占比 图表 7： 2015-2017 年锐科采购 连续型 无源光纤器件价格 （万元 /套） 资料来源：锐科激光招股说明书、 Wind、华泰证券研究所 资料来源：锐科激光招股说明书，华泰证券研究所 泵浦源 ： 国内厂商 突破泵浦源 制造 ，核心激光芯片 依赖进口 泵浦源的作用是对 增益介质 进行激励 使其辐射发光 。具体而言，泵浦源提供能量激励原子跃迁到高能级，以 实现粒子数反转 ，被激发的粒子会自发由高能级向下跃迁 从而产生激光。半导体激光器 常被用作光纤激光器泵浦源 ， 也被称为激光二极管，具有体积小、重量轻、光电转换效率高特点。 图表 8： 激光产生 示意图 资料来源 CNKI：华泰证券研究所 0%5%10%15%20%25%00.10.20.30.40.50.60.70.80.912015年 2016年 2017年有源光纤 (亿元） 营业成本占比00.20.40.60.811.21.41.62015年 2016年 2017年脉冲型无源光纤器件 连续型无源光纤器件行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 22 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 7 掺镱光纤激光器主要用 915nm 或者 976nmLD作为泵浦源 ，因为掺镱光纤对 976nm和 915 nm波长的光有非常强烈的吸收特性 。 虽然 976nm 泵浦方式有更高的吸收率及光光转换效率，但相比 915nm泵浦方式在光线处理和耦合上的技术难度更大，国际上只有少数激光器厂商像德国的 IPG，美国的 DILAS（ Coherent） 在量产工业激光器中大规模使用 976 泵浦源 图表 9： 915nm泵浦源产品与 976nm 泵浦源产品 资料来源： 凯普林、 Nlight 公司官网 ，华泰证券研究所 泵浦源主要封装形式包括单管 （单发射腔） 、 bar 条 。 单管是将激光芯片封装后形成的发光单元，激光 bar 条可以看做是多个半导体单管并排形成的激光器单条，泵浦功率更高。进一步， bar 条按排列形式可以分为垂直叠阵及水平阵列。 水平阵列用于侧面泵浦固体激光器，要求更高的光输出功率但并不要求光束会聚，而垂直叠阵可以得到较高的输出功率 。 图表 10： 泵浦源封装形式 资料来源： OFweek 激光网 ，华泰证券研究所 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 22 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 8 国内厂商虽然掌握泵源制造技术，但核心激光芯片仍依赖进口 。 国内激光器厂商如锐科 、创鑫等致力于通过实现光纤激光器原材料自制以降低成本 ，泵浦源等 关键器件 制造 技术已被掌握 ， 但 中高功率 半导体激光芯片仍依赖进口 。 此外 ， 受限于自有产能不足 ， 锐科 激光与创鑫 激光 部分泵浦源仍需要对外采购 。 国内外泵浦源供应公司主要有中国凯普林 、 中国长光华芯 、 和美国 DILAS（ Coherent） 等 ，但境外公司采购价相对较高 并且存在技术封锁 ，国内只有少数企业生产中高功率泵浦源符合要求。 图表 11： 国内外 公司 泵浦源生产供应状况 公司 泵浦源产品状况 国内激光器厂商 锐科 掌握泵浦源核心技术 、 但原材料需要进口 泵浦源产能不能满足全部需求，部分需要外购 创鑫 掌握泵浦源生产工艺实现自主生产 量产 12w 至 260W 泵源 元器件 供应商 凯普林 主要产品种类 ：单管耦合半导体激光器和多单管耦合半导体激光器 单管波长从 405nm-976nm，功率 2mW-10W 之间 多单管波长从 635nm-1064nm，单 Bar 输出功率从 1.6W-300W 长光华芯 产品包括单 Bar、垂直叠阵 单 Bar输出功率 40W，垂直叠阵最高功率 300W/Bar DILAS 产品覆盖单管 、 传导冷却单阵列 、 垂直叠阵及水平列阵 垂直叠阵最高功率 400W/Bar 资料来源： 锐科激光、创鑫激光招股说明书，凯普林 公 、长光华芯、 DILAS 公司官网 ， 华泰证券研究所 激光器 厂商原材料采购成本主要集中于 泵浦源设备 ，激光器关键 元器件 存在国产化空间 。2015-2017 年锐科采购泵浦源总成本为 0.91 亿元 、 0.97 亿元 、 1.83 亿元 ，占营业成本比为 37.90%、 28.73%、 35.99%。 由于国外供应商价格较高 ， 国内激光器厂商原材料采购意向开始偏好于国内供应商 ， 泵浦源 采购单价逐渐下降。 图表 12： 2015-2017 年锐科激光 采购泵浦源成本及占比 图表 13： 2015-2017 年锐科采购不用类型泵浦源价格 （万元 /套 ） 资料来源： 锐科激光招股说明书、 Wind、 华泰证券研究所 资料来源： 锐科激光招股说明书 ，华泰证券研究所 0%10%20%30%40%00.20.40.60.811.21.41.61.822015年 2016年 2017年泵浦源采购总额（亿元） 占营业成本比00.511.522.533.544.52015年 2016年 2017年脉冲型产品泵浦源 连续型产品泵浦源行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 22 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 9 创鑫通过自主研发掌握泵浦激光器生产工艺 ， 但受限于产能不足公司部分情况仍需对外采购 ， 其中 COS 芯片封装基本完全依赖外部供应 。 2014-2016 年泵源和 COS 芯片采购单价下降 ， 主要原因一方面是对外采购 COS 芯片规模增加有效地降低了单位购买成本 ， 另一方面是自主生产泵源成本较低 ， 而外购泵源主要用于低功率产品单价不高 。 图表 14： 2014-2016 年创鑫激光采购泵浦源成本及占比 （ 10W-58W） 图表 15： 2014-2016 年创鑫激光采购泵浦源成本及占比 （ 140W 以上 ） 资料来源： 创鑫 激光招股说明书、华泰证券研究所 资料来源： 创鑫 激光招股说明书，华泰证券研究所 谐振腔 ： 低功率 已 国产化 ，国外品牌 占据 国内 大部分市场份额 简而言之 ， 谐振腔的作用 是 筛选一定方向光子并进行放大 。 光纤 介质 被泵浦源 激活后会产生不同方向的光子 ， 传播方向与谐振腔横轴线不同的光子将逃逸出腔体 ， 沿横轴线运动的光子将在腔内 往返产生振荡 ， 与受激发粒子相遇后发生辐射 ， 不断 增殖 最终形成传播方向一致 、 频率和相位相同的强光束 ， 即为激光 。为把激光 引出腔外 ， 其中一面反射光栅为部分反射 ， 透射部分成为可利用激光 ， 反射部分留在腔体内继续 增殖 。 光纤激光器中一般采用光纤光栅作为谐振腔反射镜 。 采用光纤光栅作为光纤激光器的谐振腔消除了腔镜与光纤介质之间耦合的消耗，实现了激光器核心部件的全光纤集成，提高了激光器的效率及稳定性。同时，光纤光栅可以改变反射性质选择特定频率进行输出，适用性更广泛， 图表 16： 谐振腔 简要 运作原理 资料来源： CNKI， 华泰证券研究所 -40%-30%-20%-10%0%02004006008001000120014002014年 2015年 2016年10W-58W泵源单价 (元） 同比变动 (%)-15%-10%-5%0%110001150012000125001300013500140002014年 2015年 2016年140W以上泵源单机（元） 同比变动行业 研究 /深度研究 | 2018 年 07 月 22 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 10 低功率光纤光栅已经能实现国产化并进行市场销售 ，但光纤激光器 采用的中高功率光栅 大部分 仍依赖进口 ， 国外主要光纤光栅生产商为 TeraXion。 2017 年长飞光纤推出用于千瓦级光纤激光器的双包层光纤光栅，打破由国外厂商垄断高功率光纤光栅的局面。但 我国大部分光纤光缆产品层次较低 ， 价格竞争激烈 ， 高端产品 严重 依赖进口 ， 国外品牌仍然占据我国特种光纤市场大部分份额 ， 光纤激光器元器件国产化进程亟待加快 。 图表 17： 国内主要激光器厂商光栅研发项目 公司 项目名称 进度 锐科激光 高功率大模场光纤光栅 研制中 创鑫激光 高功率光纤光栅 方案论证、首样制作阶段 资料来源：锐科激光招股说明书、创鑫激光招股说明书、华泰证券研究所 光纤光栅属于无源光纤器件 ， 2005 年 IPG光子公司采用输出 980nm半导体激光阵列作为抽运源，用光纤溶锥抽运技术和光纤光栅谐振腔技术实现的掺铥双包层光纤激光器输出功率已达 150W。根据锐科激光与创鑫激光招股说明书，两家国内厂商所 使用的 高功率光纤光栅仍然依赖于进口 。 随着锐科激光 高功率光纤激光器产品销售增长 ， 无源光纤器件采购成本逐渐上升 。但 随着近年来光纤激光器国产化进程加快 ， 国内配套元器件生产企业增加及采购规模的扩大 ， 平均采购成本呈现下降趋势 。 图表 18： 2015-2017 年锐科激光采购 无源光纤器件 成本及占比 图表 19： 2015-2017 年锐科采购 连 续型 无源光纤器件价格 （万元 /套） 资料来源：锐科激光招股说明书， Wind， 华泰证券研究所 资料来源：锐科激光招股说明书，华泰证券研究所 5%5%6%6%6%6%6%7%00.050.10.150.20.250.30.352015年 2016年 2017年无源光纤器件 (亿元） 占营业成本比00.10.20.30.40.50.60.70.80.912015年 2016年 2017年脉冲型无源光纤器件 连续型无源光纤器件