激光设备产业链系列报告之六：激光器分类详解-光纤激光器革故鼎新.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 09 月 19 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 李倩倩 执业证书编号： S0570518090002 研究员 liqianqian013682htsc 关东奇来 021-28972081 联系人 guandongqilaihtsc 黄波 0755-82493570 联系人 huangbohtsc 时彧 联系人 shiyu013577htsc 1机械设备 : 智能运维已至，看好龙头先发优势 2018.09 2机械设备 : 刻蚀设备：半导体设备国产化的前沿阵地 2018.09 3机械设备 : 订单饱满，半导体设备产业调研更新 2018.09 资料来源： Wind 激光器 分类 详解 ： 光纤激光器 革故鼎新 激光设备产业链系列 报告之六 光纤激光器替代优势明显 ， 光纤激光器渗透率提升空间广阔 光纤激光器具有输出激光光束质量好、电光效率高、可加工材料范围广、综合运行成本低等技术性能和经济性能等方面的优势 。 相比二氧化碳激光器，光纤激光器光转化效率更高，使用成本较低 ，根据 OFweek 激光网的测算可得，光纤激光器的使用成本为 23.4 元 /小时，二氧化碳激光器的使用成本为 39.1元 /小时 。相比 YAG 激光器，光纤激光器功率高、效率快且免调节、免维护，或将逐渐替代 YAG 激光器。 光纤激光器渗透率提升空间广阔。 光纤激光器 分类方法多样，细分复杂 光纤激光器分类方法中较为常见的是按工作方式分类、按波段范围分类及按介质掺杂稀土元素分类。按照工作方式可以分为锁模、调 Q、准连续及连续光纤激光器；按照波段范围分类，光纤激光器主要发射近红外光，但为了实现不同应用需要，光纤激光器通过倍频可以输出可见光（绿光）； 通过在光纤中掺氟化物可以输出中红外光；按照介质掺杂稀土元素分类可以分为掺镱、掺铥、掺铒光纤激光器，不同的稀土元素工作的波长范围不同，但都处于近红外范围内。 光纤激光器应用领域广阔，细分种类可满足特殊需求 光纤激光器广泛运用于工业加工、光纤通信、娱乐、军事武器、航空航天等领域。根据功率大小、工作方式、波段范围及掺杂稀土元素细分后的光纤激光器种类逾 100 种，可以满足细分行业应用的特定需求。例如中红外波段对于人眼来说是安全的，且在水中能够被很强的吸收，是理想的医用激光光源；掺铒光纤由于其合适的波长可以打开光纤通信窗口，在光纤通信领域应用较广；绿光激光由于其可见性，在娱乐与投影等方面必不可少。 CO2 激光器使用成本高， YAG 激光器能量转换效率低，或被部分替代 CO2 激光器光转化效率低，使用成本高，根据 OFweek 激光网的测算数据显示，光纤激光器的使用成本为 23.4 元 /小时，二氧化碳激光器的使用成本为 39.1 元 /小时； CO2 在厚度小于 6mm 板材切割方面速度 逊于 光纤激光器。在切割方面， YAG 激光器加工功率低、能耗比大 且切割速度 慢；在焊接方面，与 YAG 激光器相比，准连续光纤激光器可以在微秒至毫秒的脉宽下提供数焦耳到数十焦耳的脉冲能量，相当于同时具备 YAG 激光器的钻孔和焊接优势以及 CO2 激光器的切割能力，或将逐步替代 YAG 激光器。 半导体激光器现阶段技术存在局限，替代光纤激光器尚需时日 研究表明直接半导体激光器具有较强的材料加工应用潜力，相比光纤激光器和二氧化碳激光器具有更好的切割速度和切割质量。但半导体激光器最大的缺点在于其在高激光功率时光束质量低下，因此在未来数 年，半导体激光器不太可能使整个材料加工领域发生革命性变化或取代其它光源。 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 。 (31)(20)(8)41517-09 17-11 18-01 18-03 18-05 18-07(%)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 09 月 19 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 光纤激光器应用领域广阔，细分种类可满足特殊需求 . 4 脉冲激光器峰值功率高，准连续激光器加工速度快 . 4 连续光纤激光器是高功率激光器的主要产品 . 5 准连续光纤激光器可双模式运转，显著提升加工速度 . 5 脉冲光纤激光器可压缩能量，输出高峰值功率 . 6 近红外光是主流，绿光和远红外光各具特性 . 7 中红外光纤激光器对人眼安全，是理想医用激光光源 . 7 绿光光纤激光器光谱亮度高，转换效率高达 84% . 9 掺镱光纤是主导，掺铒掺铥光纤工作波长各显其能 . 9 掺镱光纤激光器是激光器产业中的主导力量 . 10 掺铒光纤激光器是独特的光纤通信窗口 . 11 掺铥光纤激光器可改善含水材料的吸收特性 . 11 光纤激光器性能优势突出，替代效果明显 . 13 二氧化碳激光器光转化效率低，使用成本高 . 13 YAG 激光器能量转换效率低，或被逐渐替代 . 14 半导体激光器现阶段技术仍存局限 . 15 图表目录 图表 1： 激光器细分分类对应相关行业应用示意图 . 4 图表 2： 光纤激光器工作方式及脉冲宽度的情况 . 4 图表 3： IPG 单模连续光纤激光器 YLS 系列 . 5 图表 4： 锐科激光单模连续光纤激光器 . 5 图表 5： IPG 掺铥准连续光纤激光器 TLM 系列 . 5 图表 6： 锐科激光准连续光纤激光器系列 . 5 图表 7： IPG 纳秒调 Q 脉冲激光器 ELPN 系列 . 6 图表 8： 锐科激光调 Q 脉冲光纤激光器系列 . 6 图表 9： IPG 掺镱飞秒脉冲激光器 YLPF 系列 . 6 图表 10： IPG 光纤泵浦锁模皮秒激光器 ELPP 系列 . 6 图表 11： 不同光纤波长情况一览 . 7 图表 12： 按波长分类的激光器情况 . 7 图表 13： 掺杂不同稀土离子光纤激光器的最大输出功率与发射波长之间的关 系图 . 8 图表 14： IPG 纳秒脉冲中红外光纤激光器 CLPN 系列 . 8 图表 15： IPG 连续窄线宽可调谐中红外激光器 FLT 系列 . 8 图表 16： IPG 连续绿光单频光纤激光器 GLR 系列 . 9 图表 17： 常用掺杂纤芯中稀土离子的工作波长 . 10 图表 18： 国内外公司主要掺镱光纤产品对比 . 10 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 09 月 19 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 19： IPG 1 万瓦掺镱光纤激光器 YLS-CL 系列 . 11 图表 20： IPG 掺镱高功率调 Q 激光器 YLPN 系列 . 11 图表 21： IPG 掺铒光纤脉冲激光器 ELPN 系列 . 11 图表 22： IPG 掺铒高功率连续激光器 ELS 系列 . 11 图表 23： IPG 掺铥单模连续光纤激光器 TLR 系列 . 12 图表 24： IPG 掺铥准连续光纤激光器 TLM 系列 . 12 图表 25： 液态水在不同波长的吸收特性 . 12 图表 26： 二氧化碳激光器结构 . 13 图表 27： 二氧化碳激光器发光过程简要示意图 . 13 图表 28： 光纤激光器与二氧化碳激光器对比 . 14 图表 29： 光纤激光器与二氧化碳激光器使用成本对比 . 14 图表 30： Nd： YAG 激光器简易结构示意 . 15 图表 31： YAG 激光器与光纤激光器对比 . 15 图表 32： 用作泵浦源的半导体激光器产品 . 16 图表 33： 半导体激光器简易结构示意 . 16 图表 34： 直接半导体激光器应用 . 17 图表 35： 直接半导体激光器、光纤激光器和二氧化碳激光器切割工艺对比 . 17 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 09 月 19 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 光纤激光器应用领域广阔，细分种类可满足 特殊需求 光纤激光器有多种分类方法，其中较为常见的是按工作方式 分类、按波段范围分类及按介质掺杂稀土元素分类 。 激光器 通常 也是根据这三个分类 中的一至两个来命名的 ， 例如 IPG的 YLM-QCW 系列即翻译为准连续掺镱光纤激光器。 光纤激光器应用领域广泛，不同细分的激光器特质不同，适合的应用领域各异 。例如中红外波段对于人眼来说是安全的，且在水中能够被很强的吸收，是理想的医用激光光源；掺铒光纤由于其合适的波长可以打开光纤通信窗口，在光纤通信领域应用较广；绿光激光由于其可见性，在娱乐与投影等方面必不可少。 图表 1： 激光器细分分类对应相关行业应用示意图 资料来源： OFweek 激光网，华泰证券研究所 脉冲激光器峰值功率高，准连续激光器加工速度快 光纤激光器按照 工作方式 可以分为锁模光纤激光器、调 Q 光纤激光器、 准连续光纤激光器 及连续光纤激光器 。 实现脉冲光纤激光器的技术途径主要有调 Q 技术、锁模技术和种子源主振荡功率放大 (MOPA)技术。锁模技术可以实现 飞秒或皮秒 量级的脉冲输出，且脉冲的峰值功率较高，一般在 百万瓦 量级，但是其输出的脉冲平均功率较低； 调 Q 光纤激光器可以获得脉宽为 纳秒 量级、峰值功率为 千瓦 量级、脉 冲能量为 百万焦 量级的脉冲激光。准连续激光器的脉冲宽度为微秒级，而连续激光由 泵浦源持续提供能量，长时间地产生激光输出 。 图表 2： 光纤激光器 工作方式及脉冲宽度的情况 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 09 月 19 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 连续 光纤激光器是 高功率激光器的主要产品 连续激光器的激光输出是连续的， 广泛运用于激光切割 、 焊接 和熔覆 领域 。 激光泵浦源持续提供能量，长时间地产生激光输出，从而得到连续激光。连续激光器中各能级的粒子数及腔内辐射场均具有稳定分布。其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出，可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行，以连续光源激励的光纤激光器即为连续光纤激光器。 相比其他类型激光器，连续光纤激光器能达到相对较高的功率， IPG 已经生产出单模 2 万瓦的 连续光纤激光器 ， 较常用于激光切割、焊接和熔覆领域。 图表 3： IPG 单模连续光纤激光器 YLS 系列 图表 4： 锐科激光单模连续光纤激光器 资料来源： IPG 官网，华泰证券研究所 资料来源： 锐科激光官网， 华泰证券研究所 准连续 光纤激光器可 双模式运转 ， 显著提升 加工速度 准连续激光器可以同时在连续和高峰值功率脉冲模式下工作。 据 IPG 官网 ,传统的连续（ CW）激光的峰值和平均功率在 CW 和 CW/调制模式中总是相同的，而准连续激光器在脉冲模式下的峰值功率要比平均功率高出 10 倍。因此，这样能够在从几十赫兹到几千赫兹的重复频率下产生具有高能量的微秒和毫秒脉冲，并且可实现数千瓦的平均功率和峰值功率。 图表 5： IPG 掺铥准连续光纤激光器 TLM 系列 图表 6： 锐科激光准连续光纤激光器系列 资料来源： IPG 官网，华泰证券研究所 资料来源：锐科激光官网，华泰证券研究所 准连续光纤激光器将提供更高的电光转换效率，并显著提高加工速度及生产效率 。 据OFweek 激光网， 准连续光纤激光器与其它激光系统相比 可提供十倍的 光电转换效率 增量 ，在被动式冷却方案下能够实现大于 30%的电光转换效率 。 由于其较高的平均功率和脉冲重复频率， 其加工速度是大多数激光器的 3-4 倍 。 显著 降低的电力费用， 没有消耗 品及零配件，低维护需求，没有预热时间要求，影响叠加将带来 成本优化。 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 09 月 19 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 脉冲 光纤激光器 可压缩能量， 输出高 峰值功率 脉冲光纤激光器又分为调 Q 光纤激光器和锁模光纤激光器 。 调 Q 技术就是要使激光能量压缩在很短的时间间隔之内，形成高峰值功率和窄脉宽的激光输出。 调 Q 的原理是在激光器内加入一个损耗可调节器件，在大部分时间区域内，激光器的损耗很大，几乎无光输出， 在某一个较短的时间内，减小器件的损耗，从而使激光器输出一个强度较 高的短脉冲。 Q 开关是调 Q 技术的核心器件， 可以通过主动或者被动方式实现调 Q 光纤激光器。 图表 7： IPG 纳秒调 Q 脉冲激光器 ELPN 系列 图表 8： 锐科激光调 Q 脉冲光纤激光器系列 资料来源： IPG 官网， 华泰证券研究所 资料来源： 锐科激光官网， 华泰证券研究所 调 Q 脉冲光纤激光器具有高峰值功率、高单脉冲能量、光斑直径大小可选等特点 ，广泛应用于非金属、具有高反特性的金、银、铜、铝及非高反材料不锈钢等材料的打标、精密加工、图文标记、深雕刻，薄片精密切割，钻孔等领域。在打标应用方面，相比 CO2 激光器成本更低廉，性能更稳定。 锁模脉冲光纤激光器即 通过主动锁模或者被动锁模方法来产生超短脉冲。 受限于调制器的响应时间，主动锁模产生的脉宽较宽一般为皮秒量级；被动锁模利用的是被动锁模器件，响应时间很短，可以产生飞秒量级 的脉冲。 锁模的简要原理是 采取合适的措施，使 谐振腔中 相互独立的纵模在相位上存在一定的关系，即使得相邻纵模的位相差为一常数，则激光器将会输出脉宽极窄、高峰值功率的脉冲。 图表 9： IPG 掺镱飞秒脉冲激光器 YLPF 系列 图表 10： IPG 光纤泵浦锁模 皮秒 激光器 ELPP 系列 资料来源： IPG 官网，华泰证券研究所 资料来源： IPG 官网， 华泰证券研究所 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 09 月 19 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 锁模脉冲激光器具有出色的光束质量，超短脉宽和高脉冲能量等优点 ， 适用于各种材料的微加工工艺，包括金属，玻璃，陶瓷，硅和塑料。 在医疗领域，锁模激光器也被用于激光手术刀或眼科手术之中，也有使用例如光化学效应对于某些皮肤护理。由于具有短脉冲和高峰值功率的特点，锁模激光器广泛应用于各种方法的成像，显微镜和光谱学中 ， 还应用于 集成电子电路上的电光采样测量 及 距离测量和频率计量计时 等领域 。 近红外光是主流 ， 绿光和远红外光各具特性 光纤激光器直接输出的激光多为波长在 960nm-2.05m 之间的 近 红外光 。 激光器大类按照波长由短到长的顺序涵盖了从 X 射线到远红外 的各类激光器，波长从 0.001 纳米到 1000微米不等 。 其中光纤激光器直接输出的激光主要在近红外部分 。 但为了 实现不同应用需要 ，光纤激光器 通过倍频可以输出可见光 ， 主要 应用 是绿光 ； 通过在光纤中掺氟化物可以输出中红外光 。 图表 11： 不同光纤波长情况一览 资料来源： OFweek 激光网，华泰证券研究所 图表 12： 按波长分类的激光器情况 名称 波长范围 主要产品 远红外激光器 30 1000 微米 分子气体激光器、自由电子激光器 中红外激光器 3 30 微米 CO2 分子气体激光器 近红外激光器 0.76 3 微米 光纤激光器、 CaAs 半导体二极管激光器、部分气体激光器 可见光激光器 380 纳米 780 纳米 红宝石激光器、 氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器 近紫外激光器 200 纳米 400 纳米 氮分子激光器、氟化氙准分子激光器、 氟化氪 (KrF)准分子激光器 真空紫外激光器 5 纳米 200 纳米 氢 (H)准分子激光器、氙 (Xe)准分子激光器 X 射线激光器 0.001 纳米 5 纳米 资料来源： OFweek 激光网 ，华泰证券研究所 中红外光纤激光器 对人眼安全，是 理想医用激光光源 中红外激光的波长主要在 23 微米到 3.9 微米左右 ，需要掺稀土离子的氟化物玻璃光纤介质来激发 。 从下图光纤激光器红外跃迁产生的荧光光谱中可知， 掺钬离子（ Ho3+）及掺铒离子（ Er3+） 被在合适的介质条件下被激发可以直接产生中红外激光。氟化物玻璃光纤激光器在 2.3 3.5 m 波段具有较高的效率和输出功率，而波长超过 3.5 m，能够满足光纤传输和稀土离子跃迁辐射所需低声子能量的材质非常少。单掺 Ho3+氟化物光纤激光器在低温下产生 3.9 m 波段激光，是目前直接输出的最长波长。 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 09 月 19 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 图表 13： 掺杂不同稀土离子光纤激光器的最大输出功率与发射波长之间的关系图 资料来源： 中国科学院上海光学精密机械研究所 ，华泰证券研究所 中红外激光器由于其波长特性 可打开大气窗口 ，在 激光制导、定位和 测量等方面 应用较广 。在军事方面，激光的定向能量和穿过大气传输窗口的远距离传输方面的应用都需要很强的光束能量。 在红外导弹对抗当中，中红外激光器 可以获得 3 5 m 波段的大气传输窗口。数千瓦单模 输出的 中红外 光纤激光器或 将进一步 大量的应用在反巡航导弹、火箭制导和无人机空域侦查等国防战争平台 中。 图表 14： IPG 纳秒 脉冲中红外光纤激光器 CLPN 系列 图表 15： IPG 连续窄线宽可调谐中红外激光器 FLT 系列 资料来源： IPG 官网，华泰证券研究所 资料来源： IPG 官网，华泰证券研究所 中红外光纤激光器由于其方向性强及人眼安全的特性，已被广泛运用于医疗领域。 中红外激光的波段对于人眼来说是安全的， 且在水中能够被很强的吸收，由于激光方向性强的特点，在激光手术中可以达到组织穿透深度浅，对身体损伤的区域很小，从而使手术达到高的精度。在现代医学中，中红外激光在医疗应用中主要是利用光热效应达到治疗或消融病变组织 ， 已 经被广泛地应用于骨科、消化科及泌尿科等，成为理想的医用激光光源， 用于烧蚀和切割泌尿组织，汽化和切除衰竭的器官等。在富含脂质、骨骼和含蛋白质的组织切割过程中，使用中红外激光器都会附带较小的损伤。 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 09 月 19 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 绿光 光纤激光器 光谱亮度 高， 转换效率 高达 84% 光纤激光器通过倍频可获得绿光输出。 据 OFweek 激光网， 倍 频绿光 光纤激光器 虽然不是严格意义上的绿光光纤激光器 ， 因为 其激活介质并不直接释放 532 纳米的激光束 ，此类型的 光纤激光器 提供了较窄范围的脉冲持续时间和高达 600 kHz 的重复频率 ， 高 光谱亮度的激光源促成了高效的转换，实现 84%的转换效率及大于 20的电光转换效率，且具备升级到 355 和 266 纳米下高功率的可行性 。 图表 16： IPG 连续绿光单频光纤激光器 GLR 系列 资料来源： IPG， 华泰证券研究所 绿光激光器在印刷、医疗、数据存储、军事、生物等领域都有广泛的应用。 如 IPG 的绿光光纤激光器可以运用在 粒子成像 、 测速 /流量可视化 、 影像诊断及手术 、 光学捕获 /光学镊子、 太阳能电池制造 、 制造检验质量控制 、 全息和干涉测量 、 娱乐与投影 等领域。 掺镱光纤是主导，掺铒掺铥光纤工作波长各显其能 光纤激光器主要采用掺杂稀土元素的光纤作为增益介质 ，不同稀土元素对应相异的工作波长 。 掺杂 光纤就是向光纤纤芯中掺入杂质，如稀土元素离子，会导致光纤改性并显现出激光效应。 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 。 如元素 铒 (Er3+)、镨 (Pr3+)、铥(Tm3+)、钕 (Nd3+)和镱 (Yb3+)等 稀土离子 都可作为掺杂物制成光纤，随后 做成掺杂光纤放大器 (XDFA)和光纤激光器 (XDFL)， 不同的稀土元素工作的波长范围不同 ，但都处于近红外范围内 。 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 09 月 19 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 图表 17： 常 用 掺杂纤芯中稀土离子的工作波长 资料来源： IPG 官网， OFweek 激光网 ，华泰证券研究所 掺镱光纤激光器 是 激光器产业 中的主导力量 掺镱光纤激光器以其稳定性高、光束质量好、斜率效率高等优势 得到较快发展。 掺 镱 光纤具有很多优势 ,利用 掺镱 光纤研制的光纤激光器具有较高的斜率效率和光光转换效率 ,可以在 1 m 波段得到高功率的激光输出 ，因此受到广泛关注并得到 飞速发展，成为激光器产业 中的主导力量， 在工业加工、医疗和国防等领域具有很好的应用前景 ，锐科激光的大部分激光产品采用的都是掺镱光纤。 图表 18： 国内外公司主要 掺镱 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 掺镱光纤激光器主要应用于连续激光器及脉冲调 Q 激光器方面。 由于镱离子能级结构简单，粒子损耗较小使激光器在高功率运转情况下有较高的转换效率和较低的热效应， 增益带宽很大 (975nm1200nm)。同时，镱 离子的上能级寿命比较长 ， 通常在 1 毫秒左右 ，这些 因素都有利于调 Q 技术 ，因此 在脉冲激光器方面已实现了超短脉冲输出。在连续激光器方面 ， 掺镱光纤激光器输出功率已达到万 瓦量级 。