激光产业链系列研究1：行业格局研判，国产替代进行时.pdf

识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 1 / 44 专题研究 |电子 2018 年 07 月 25 日 证券研究报告 本报告联系人：王帅 0755-23953620 wshuaigf Tabl e_Title 电子行业 激光产业链系列 研究 1：行业 格局研判，国产替代进行时 Table_Aut horHorizontal 分析师： 许兴军 S0260514050002 分析师： 罗立波 S0260513050002 分析师： 王 珂 S0260517080006 021-60750532 021-60750636 021-60750636 xxj3gf luolibogf gfwangkegf Table_Summary 核心观点 ： 激光：一种重要工具，应用领域广，市场空间大 激光相比普通的光源具备高能量密度、单色性、相干性、单一方向等优良性质，在全球及国内的市场经历了理论到实践到快速发展的阶段，至目前为止已经形成了完备且丰富的激光产业链，各行各业都有激光的应用。其中激光器和激光设备是激光行业最主要的两部分，激光器是激光加工设备的核心部件。 根据 Strategies Unlimited，2017 年全球激光器的市场规模达到 124.3 亿美元，同比增 18%，中国激光设备市场销售总收入达 495 亿元，同比增 28.6%。 激光上游器件：激光器是激光产业的核心 激光器是能够发射激光的装置，是激光产业的核心器件，其主要由三个部分组成：激光泵浦源、增益介质和谐振腔。工作原理为增益介质通过吸收泵浦源提供的能量，经谐振腔振荡选模输出激光。按增益介质的种类，激光器可分为液体激光器、气体激光器、半导体激光器、固体激光器、光纤激光器，其中光纤激光器因其优良的技术特性，市场份额 不断提升， 根据 Laser Markets Research， 2017 年在工业激光器中的份额达到 47%。 激光下游应用：激光设备在材料加工方面优势突出 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、仪器与传感器、娱乐显示与打印。其中在材料加工领域，工业激光器主要用于切割、焊接、打标、半导体、精加工、 3D 打印等，在这些领域，激光加工相比传统加工方式具备加工材料多元、加工质量好、加工精度高、加工效率高、材料利用率高、经济效益高等优势。 激光产业格局： 欧美占据领先地位，中国开启进口替代 欧洲和美国在激光领域起步较早，技术上具备领先优势，在大功率激光设备以及上游光纤激光器等重要领域占据领先地位。随着下游市场的发展，中国在激光产业链中的地位越来越重要，国内激光产业快速发展，开启了从依赖进口到替代进口的转变，在中低功率的激光器及激光设备中取得了良好成效。目前国内激光企业相比国外企业在中低端产品具备竞争优势，国内市场也已经形成了阶梯型的竞争格局。 国外主要企业有：德国通快、美国 IPG 光电、美国相干、美国恩耐、美国贰陆（ II-VI）、丹麦 NKT 等。国内主要企业有： 大族激光、锐科激光、 亚威股份 、 联赢激光 、 光库科技、华工科技、创鑫激光等。 风险提示 激光下游领域发展不及预期风险，激光器国产替代不及预期风险，行业竞争加剧风险。 Table_Report 相关研究 ： 电子行业 :光学行业研究专题一：行业趋势研判，光学硬件持续升级进行时 2018-07-09 电子行业 2018 年度中期投资策略 :技术创新不止，产业东移继续，坚守龙头迎接行情复苏 2018-06-25 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 2 / 44 专题研究 |电子 目录索引 研究逻辑 . 5 激光：一种重要工具，应用领域广，市场空间 大 . 7 走进激光 激光的产生原理与发展历史简述 . 7 激光产业应用范围广，产业链完备，行业规模大 . 9 激光上游器件：激光器是激光产业的核心 . 11 激光器主要由泵浦源、增益介质和谐振腔组成 . 11 激光器种类众多，光纤激光器具备性能优势 . 13 激光下游应用：激光设备在材料加工方面优势 突出，激光器在通信等领域应用广泛 . 19 材料加工与光刻领域：激光设备在切割、焊接、打标等领域优势明显 . 20 通信与光存储领域：激光器在光通信系统中发挥重要作用 . 31 其他领域：科研、军事、医疗、激光雷达、显示与照明等领域均有应用 . 33 激光产业格局：欧美占据领先地位，中国开启 进口替代 . 38 欧洲和美国在高功率激光器及激光设备上具有领先优势 . 38 中国开启激光国产替代的新征程，阶梯型竞争格局形成 . 39 风险提示 . 43 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 3 / 44 专题研究 |电子 图表索引 图 1：光的产生来源于分子或原子的能级跃迁 . 7 图 2：激光光束产生来源于受激辐射，并具备特殊的优良性质 . 8 图 3：激光发展历史重要事件概览 . 9 图 4：激光产业链概览图 . 10 图 5：全球激光器市场规模 2017 年增长较快 . 10 图 6：中国激光设备市场规模稳步快速增长 . 10 图 7：典型光纤激光器光学系统 . 11 图 8：半导体模块泵浦源实物图 . 12 图 9：各类固体增益介质实物图 . 12 图 10：谐振腔原理示意图 . 12 图 11：光纤激光器的详细结构图 . 13 图 12： CO2激光器结构 . 14 图 13：固体激光器结构 . 14 图 14： 2013-2017 全球各类型工业激光器市场规模 . 16 图 15：全球工业领域光纤激光器市场规模加速增长 . 16 图 16：光纤激光器在工业激光器的份额不断提升 . 16 图 17：各种光的波长一览 . 17 图 18：紫外激光器和红外激光器在材料加工领域的对比 . 17 图 19：锐科激光中功率连续光纤激光器产品示意图 . 18 图 20：锐科激光调 Q 脉冲光纤激光器产品示意图 . 18 图 21：不同类型和功率的激光器的部分应用领域 . 18 图 22： 2014-2017 全球激光器应用市场情况 . 19 图 23：激光加工设备组成与应用 . 19 图 24：激光加工设备主要结构及原理 . 19 图 25：中国各激光设备应用领域销售收入 . 20 图 26： 2017 年全球材料加工领域激光器应用情况 . 20 图 27： OPTECH 统计的全球材料加工相关激光系统市场规模 . 21 图 28：气化切割工作原理 . 22 图 29：熔化切割工作原理 . 22 图 30：中国激光切割设备销售量快速增长 . 23 图 31：中国激光切割设备市场规模快速增长 . 23 图 32：热传导焊工作原理 . 24 图 33：深熔焊工作原理 . 24 图 34：激光打标在工具和金属表面的应用示例 . 27 图 35：德国通快的激光打标系统和激光打标机产品 . 27 图 36： 2014-2016 全球激光打标机市场规模及对应激光器类型 . 27 图 37：激光在半导体产业链中从前道工艺到后道组装均有广泛应用 . 28 图 38：全球材料加工与光刻领域激光器市场规模 . 28 图 39： 2014-2017 超快激光设备市场规模快速增长 . 29 图 40：增材制造具备多方面的优势 . 30 图 41： 2012-2017 中国 3D 打印产业规模呈现快速增长 . 31 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 4 / 44 专题研究 |电子 图 42：全球通信与光存储领域激光器市场规模 . 31 图 43：光纤通信的基本原理示意图 . 32 图 44：光模块内部构造图 . 32 图 45：红外光源市场 VCSEL 份额将大幅提升 . 32 图 46：全球科研与军事领域激光器市场规模 . 33 图 47：美国军舰上的激光武器 . 34 图 48：海湾战争中 F-15E 投射 GBU-12 激光制导炸弹 . 34 图 49：全球医疗与美容领域激光器市场规模 . 35 图 50：中国激光医疗设备市场规模稳步增长 . 35 图 51： Yole 预测激光雷达未来五年复合增长率达 43% . 36 图 52：全球娱乐、显示与打印领域激光器市场规模 . 36 图 53：激光显示原理图 . 37 图 54：激光大灯相比 LED 等具备亮度高和照射距离远的特点 . 37 图 55： 2016 年全球各地区激光市场规模绝对值 . 38 图 56： 2016 年全球激光市场份额分布 . 38 图 57： 2017 中国光纤激光器市场份额 . 38 图 58： 2015 年中国高功率激光加工设备市场份额 . 38 图 59：国外主要激光企业营业收入 . 39 图 60：国外主要激光企业净利润 . 39 图 61： 2016 和 2021 年全球光纤激光器市场结构 . 40 图 62： IPG 在中国地区的收入占比逐渐提升 . 40 图 63： 2010-2017 年中国的激光元器件进出口金额 . 40 图 64： 2010-2017 年中国的激光元器件进出口数量 . 40 图 65： 2013-2016 中国市场进口与国产光纤激光器数量 . 41 图 66：中国中低功率激光加工设备市场份额 . 41 图 67：中国中小功率切割厂商市场份额 . 41 表 1：具代表性的激光器分类一览 . 13 表 2：市场上千瓦级工业激光器主要性能参数对比 . 15 表 3：不同激光器对不同应用领域的适用性对比 . 15 表 4：常用的材料加工激光设备一览 . 20 表 5：四类主要激光切割方式的对比 . 22 表 6：激光切割相比传统切割的优势 . 23 表 7：几种激光焊接的对比 . 25 表 8：激光焊接相比传统焊接的优势和局限性 . 25 表 9：激光打标不同工艺的对比 . 26 表 10：激光打标与其他传统工艺的特点对比 . 26 表 11：激光各类微加工示意图 . 29 表 12：两种激光增材制造方案的对比 . 30 表 13：国外较成熟的激光医疗器械及临床应用科室 . 35 表 14：中国目前批量上市的激光和强光类医疗器械 . 35 表 15： 2017 年中国主要激光企业及其营业规模 . 42 表 16： 2017 年全球激光相关领域并购情况 . 42 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 5 / 44 专题研究 |电子 研究 逻辑 本篇研究报告是激光行业系列深度报告的第一篇 ，目的 是对激光的基本知识、上游激光器的组成与分类、下游应用领域的具体情况以及激光产业的 竞争版图做科普性的介绍与浅层次的分析，以建立起激光行业的基本认知与分析 框架。具体对行业的深入分析，还请关注我们后续的激光行业系列深度报告。 激光基础知识： 激光的产生来源于受激辐射，相比普通的光源具备高能量密度、单色性、相干性、单一方向等优良性质，也因此被称为与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一，在全球及国内的市场经历了理论到实践到快速发展的阶段。 至目前为止，全球已经形成了完备且丰富的激光产业链，各行各业都有激光的应用。 激光 产业空间 ： 激光产业链中， 上游主要是光学材料与元器件，中游包括各种激光器和对应的激光设备，下游则是激光的应用领域。其中，激光器和激光设备是激光行业最主要的两部分，激光器是激光加工设备的核心部件。 其市场规模较大，近年来呈现快速增长势 头。 2017年全球激光器的市场规模达到 124.3亿美元，同比增长约 18%， 激光设备方面， 2017年中国工业、信息、商业、医用和科研领域的激光设备（含进口）市场销售总收入高达 495亿元，同比增 28.6%。 激光产业上游 核心器件激光器 ： 激光器是能够发射激光的装置，是激光产业的核心器件，其主要由三个部分组成：激光泵浦源、增益介质和谐振腔。工作原理为增益介质通过吸收 泵浦源提供的能量，经谐振腔振荡选模输出激光。按增益介质的种类 ，激光器可分为液体激光器、气体激光器、半导体激光器、固体激光器、光纤激光器，其中光纤激光 器因其优良的技术特性，市场份额不断提升， 2017年在工业激光器中的份额达到 47%。 激光产业下游 多样化的应用领域 ： 激光的应用领域十分广阔，以激光器的下游领域划分 ，根据 Laser Markets Research，主要包括 材料加工与光刻 （ 2017年占比 41.6%） 、通信与光存储 （ 34.1%） 、科研与军事 （ 7.4%） 、医疗与美容 （ 7.4%） 、仪器与传感器 （ 6.5%）、娱乐显示与打印（ 3.1%） 。 在材料加工领域， 根据 Laser Markets Research， 工业激光器主要用于切割（ 2017年占比 35%）、焊接（ 16%）、打标（ 15%）、半导体（ 14%）、精加工（ 8%） 、其他（ 12%，如 3D打印等） 等细分领域， 在这些领域，激光加工相比传统加工方式具备加工材料多元、加工质量好、加工精度高、加工效率高、材料利用率高、经济效益高等优势。 在光通信领域，光模块和光纤放大器等光有源器件需要应用激光器 ，其中VCSEL迎来发展机遇 ；在科研领域，激光用于光谱学应用和其他基础应用，在军事领域，激光的应用主要有激光武器、激光制导、激光测距、激光侦察对抗、激光报警等；在医学上的应用主要为激光诊断和激光治疗（含激光美容）两大类； 在其他领域中， 激 光雷达 LiDAR发展最具前景。 激光产业版图 国外技术领先，国内进口替代 ： 从产业竞争格局来看，欧洲、识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 6 / 44 专题研究 |电子 北美、亚太地区是三大重要市场。 欧洲和美国在激光领域起步较早，技术上具备领先优势，在大功率激光设备以及上游光纤激光器等 重要领域占据领先地位 。 随着下游市场的发展，中国在激光产业链中的地位越来越重要，国内激光产业快速发展，开启了从依赖进口到替代进口的转变，在中低功率的激光器及激光设备中取得了良好成效。目前国内激光企业相比国外企业在中低端产品具备竞争优势，国内市场也已经形成了阶梯型的竞争格局。 国外主要企业有： 德国通快、美国 IPG光电、美国相干、美国恩耐、美国贰陆（ II-VI）、丹麦 NKT等 。国内主要企业有： 大族激光、锐科激光、亚威股份、联赢激光、光库科技、华工科技、创鑫激光等 。 风险提示： 激光下游领域发展不及预期风险，激光器国产替代不及预期风险，行业竞争加剧风险。 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 7 / 44 专题研究 |电子 激光：一种重要工具，应用领域广，市场空间大 走进激光 激光的产生原理与发展历史简述 什么是激光？ 光是由电磁波组成的，每个电磁波具有自己特有的频率与波长，频率与波长的乘积等于一个常数 光速。不同波长对应不同的电磁波类型，波长范围为 380nm至 780nm的为人类可见的光， 其余 肉眼不可见的电磁波 包括伽马射线、 X射线、微波和射频波 等。 光的产生来源于分子或原子的能级跃迁。 原子由原子核和绕核运动的电子组成，这些电子在特定的能级上运动，在同一能级上运动不带有能量的转换。而当电子在不同的能级之间运动时，会伴随着能量的吸收和释放，这种现象称之为原子跃迁。具体而言，当电子在低能级吸收能量，会跳跃至更高的一个能级（吸收跃迁 /原子激发），之后从这个更高的能级回到基态的过程中（辐射跃迁 /自发辐射），会释放出能 量，这种能量是以光子形式释放的，也即是产生了光。不同能级之间的差距越大，则产生的光频率越高。 图 1： 光的产生来源于分子或原子的能级跃迁 数据来源 ： OFweek激光 ， 广发证券发展研究中心 激光是“受激辐射的光放大”（ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LASER）的缩写，不同于光的自发辐射，激光 束 的 产生来源于受激辐射 。 受激辐射的基本过程为：当一个具备特定的能量光子 A打到激发态的原子时，会激发一个电子下降到低能级，从而辐射出另一个光子 B，之后 A、 B两个光子一起向前传播。其中产生受激辐射的条件为：光子 A的能量刚好等于产生光子 B的电子跃迁之间的能级的能量差，因此其是一个共振过程。受激辐射后，一个光子变成了两个，因此光被“放大”了，也即是产生了激光光束。 E 3E 2E 1吸收跃迁 辐射跃迁名称能量过程能量计算低辐射跃迁高吸收能量hv = E 2 - E 1 hv = E 2 - E 1 hv = E 3 - E 1 E 2 - E 1高 低辐射能量高 低辐射能量识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 8 / 44 专题研究 |电子 图 2： 激光光束 产生来源于受激辐射，并具备特殊的优良性质 数据来源 ： OFweek激光 ， 广发证券发展研究中心 由于产生的新光子 B和原来的光子 A具备相同的频率、相位和运动方向，因此 激光光束具备比普通光更加优良的性质，具体体现在以下四个方面： 高能量密度： 受激辐射前可以将一个光子变为两个，而这些新光子又可以引起新的受激辐射，因此进一步放大光束，最后得到的激光光束更加稠密，也因此具备了更高的能量密度。 单色性： 激光束中的所有光子频率、波长均是一致的。 相干性： 激光束中的所有光子具备相同的相位，因此相互之间步调是一致的。 所有有着相位一致关系的波列即 构成了相干的激光。 单一方向： 激光束中的所有光子运动方向相同并且相互平行， 因此激光束较为紧密且发散很小，可以很容易地控制激光束并让能量聚焦。 激光的发展历史简介 激光是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一。其发展历史可概括为以下 四 个阶段： 理论基础阶段（ 1917-1949）： 激光的发明可以追溯到 20世纪早期， 1917年爱因斯坦发现了构成物质得而原子或分子可以在光子的激励下产生受激发射或者吸收，这为光放大的实现提供了理论基础，后来物理学家又证明了激光的单色、相干与同向性，进一步完善了激光的理论。但 囿于当时的科技和生产没有需求，因此成果仅限于理论。 初步实践阶段（ 1950-1971）： 20世纪 50年代初 期 ， 电子学和微波技术的发展推动了激光器的需求。 1953年，美国的汤斯发明了第一个微波放大器，推动了激光发展的进程， 1958年汤斯和肖洛一起提出了实现激光的新思想，并描述了激光的可能实际应用场景。 1960年，世界上第一台激光器：红宝石激光器在美国诞生。此后 1961年第一台气体激光器：氦氖激光器诞生，1962、 1964、 1965年半导体激光器、 CO2激光器和 YAG激光器相继 出现。1968年开始发展高功率 CO2激光器，到 1971年第一台商用 1kW的 CO2激光器诞生。 原子激发 自发辐射 受激辐射 单色性 相干性 单一方向 高能量密度识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 9 / 44 专题研究 |电子 迅速发展阶段（ 1971-1989）： 继激光器成功发明之后，激光开始进入了应用快速普及的阶段。 1971年，激光开始用于舞台光影效果以及全息影像，进入艺术世界领域； 1975年，奥地利制成第一台激光针灸仪开始用于经络治疗， IBM投放第一台商用激光打印机； 1978年，飞利浦制成第一台激光盘播放机； 1988年，北美和欧洲间架设第一根光纤，用光脉冲来传输数据。 新阶段（ 1990至今 ）： 在这一阶段，激光延续了上一阶段快速发展的势头，下游应用场景不断拓宽，并不断开拓更加高端的领域。如 1990年，俄罗斯大功率半导体激光器研制成功，激光大规模应用于集成电路和汽车等制造业； 1991年，海湾战争中第一次使用激光制导导弹，标志着激光在军事中的应用进入新的阶段； 2008年，法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗脑瘤等等。 我国激光产业的发展在历史上也呈现出快速发展的阶段， 1957年，中国第一所光学专业研究所 中国科学院（长春）光学精密仪器机械与物理研究所 成立， 1961年夏天，我国研制出第一 台红宝石激光器。 1988年，武汉成立了东湖新技术开发区，“ 中国光谷 ”成立，也标志着中国激光产业的发展进入新纪元。至目前为止，激光在我国的工业、信息、商业、科研、军事、医疗等领域也有广泛的应用，形成了成熟的产业体系，迎来了持续和健康的成长。 图 3： 激光发展历史 重要事件概览 数据来源 ： OFweek， 激光原理，激光加工技术，搜狐， 广发证券发展研究中心 激光产业应用范围广，产业链完备，行业规模大 至目前为止，全球已经形成了完备且丰富的激光产业链，各行各业都有激光的应用。激光产业链的上游主要是光学材料与元器件，中游包括各种激光器和对应的激光设备，下游则是激光的应用领域。 其中，激光器和激光设备是激光行业最主要的两部分，激光器是激光加工设备的核心部件 。 爱因斯坦发现受激发射或吸收1917 1953首个微波放大器1960首台激光器：红宝石激光器1961首台气体激光器：氦氖激光器中国第一台红宝石激光器1962半导体激光器出现1964首台 CO 2 激光器1965