电子行业深度报告：国产激光崛起进行时.pdf

本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 国产激光 崛起进行时 证券 研究报告 所属 部门 股票研究 部 报告 类别 行业 深度 所属行业 信息科技 /电子 行业评级 增持评级 报告 时间 2018/9/26 分析师 欧阳宇剑 证书编号： S1100517020002 021-68595127 ouyangyujiancczq 联系人 王睿 证书编号 ： S1100117090008 0755-25332321 wangruicczq 川财研究所 北京 西城区平安里西大街 28 号中海国际中心 15 楼，100034 上海 陆家嘴环路 1000 号恒生大厦 11 楼， 200120 深圳 福田区福华一路 6 号免税商务大厦 30 层， 518000 成都 中国（四川）自由贸易试验区成都市高新区交子大道177 号中海国际中心 B 座 17楼， 610041 电子 行业 深度 报告 核心观点 激光 产业链发展完备，市场空间 大 激光产业从上个世纪中旬发展至今，产业链已经极其完备。激光行业上游主要为光学材料、光学元器件、数控等，中游包括各类激光器和对应的激光设备，下游已延伸至汽车、钢铁、造船、航空航天、电子通信、医疗等多个方面 。 根据 Strategies Unlimited 的数据 ， 2017 年全球 激光器市场收入 已 达到 124.3亿美元 ， 市场空间 大。 激光器是激光设备的核心，光纤激光器性能尤为卓越 从激光设备中单个元器件的价值量、技术壁垒、工艺制造难度来说，激光器的含金量最高 ，是激光设备中“皇冠上的明珠” 。 2013-2017 年，全球激光器行业收入 89.70 亿美元增加至 124.30 亿美元，年复合增长率为 8.50%，中国更是以17.90%的 年复合增长率 加速成长。 光纤激光器与其他几种激光器对比，在维护成本、最大输出功率、电光转化率、泵浦寿命、稳定性、柔性加工等方面具有较为明显的优势 ，是未来发展 的重中之重 。 激光正不断渗透到下游各个行业，在材料加工等领域优势突出 激光主要应用下游为材料加工、通信、科研军事、医疗美容、仪器与传感器、娱乐显示与打印等。 根据 Laser Focus World， 2017 年材料加工与光刻领域激光器收入占全部激光器收入的 41.6%，达 51.66 亿美元，位列第二的是通信与光存储领域，收入占比为 34.1%。 目前，激光正以其优质的性能在各行各业加速渗透，并延伸到更多的行业 。 欧美具有领先优势，中国进口替代正在进行中 欧美除了在市场份额上略有 领先以外，德国的通快 、美国的相干 、 IPG、恩耐、贰陆（ II-VI）、丹麦的 NKT Photonics 等均为世界 领先的激光器 /激光设备公司，由于其起步较早，在技术和产品丰富度上具有领先优势 。 我国 目前在 小功率激光器 国产化率 已经 达到 89%， 能够实现自给， 中功率激光器国产化率为 58%，而高功率激光器正处于稳步提升中 ，国产替代进口正在如火如荼的进行中 。 相关上市公司 建议关注市场份额最大、技术壁垒最高的激光设备和激光器领域 。 相关标的包括 大族激光 （ 我国激光设备领域排名第一， 已跨入全球一流激光设备商行列 ）、锐科激光 （ 光纤激光器进口替代领导者 ，向高功率产品迈进 ）、 华工科技 （ 实现能量激光全产业链布局 ）等公司 。 风险提示 ： 激光 行业景气度不及预期；技术创新对传统产业格局的影响 。 川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 2/33 正文 目录 一、激光产业链发展完备，市场空间大 . 5 1.1 激光的原理及发展历史简介 . 5 1.2 激光产业链完备，市场空间大 . 8 二、激光器是激光设备的核 心，光纤激光器性能尤为卓越 . 10 2.1 激光器是“皇冠上的明珠” . 10 2.2 光纤激光器综合性能最为出众，被称为“第三代激光器” . 13 三、激光正不断渗透到下游各个行业，在材料加工等领域优势突出 . 16 3.1 激光性能优越，在下游应用场景丰富 . 16 3.2 材料加工和通信等领域中，激光优势明显 . 18 四、欧美具有领先优势，中国进口替代正在进行中 . 24 4.1IPG、通快等欧美激光大厂具有先发优势，布局完善 . 24 4.2 国内优秀激光企业崛起，国产替代进行时 . 26 五、相关上市公司 . 30 5.1 大族激光：我国激光设备领域第一，全球一流激光设备商行列 . 30 5.2 锐科激光：光纤激光器进口替代领导者，向高功率产品迈进 . 30 5.3 华工科技：实现能量激光全产业链布局 . 31 风险提示 . 32 川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 3/33 图表目录 图 1： 自发辐射、受激辐射与受激吸收 . 5 图 2： 通过泵浦实现粒子数反转 . 6 图 3： 光学谐振腔工作原理示意图 . 7 图 4： 激光发展历程重 大事件 . 8 图 5： 激光产业链完备 . 9 图 6： 全球激光系统集成市场规模（十亿美元） . 9 图 7： 2017 年全球激光设备产业链上下游环节市场空间分 布占比 . 10 图 8： 典型光纤激光器光学系统 . 11 图 9： 全球激光器市场营收及增速（亿美元） . 11 图 10： 我国激光器市场营收及增速（亿元） . 11 图 11： 2017 年全球激光器用途分类销售额占比 . 12 图 12： 2017 年全球激光器用途分类销售额占比 . 12 图 13： 全球光纤激光器市场规模（亿美元） . 15 图 14： 全球光纤激光器占工业激光器比重（ %） . 15 图 15： 2017 年全球光纤激光器市场区域结构（） . 16 图 16： 全球激光器下游应用市场情况 . 17 图 17： 激光器、激光设备分类及关联 . 18 图 18： 激光 加工相关产品设备 . 19 图 19： 全球激光材料加工市场规模（亿美元） . 20 图 20： 2016 年全球工业激光器按设备分类（ %） . 20 图 21： 顶发射 VCSEL 结构示意图 . 21 图 22： 发射 VCSEL 结构示意图 . 22 图 23： 全球医美行业市场规模（亿美元） . 23 图 24： 我国激光医疗设备市场规模（亿元） . 23 图 25： 2016 年全球激光市场份额分布（亿美元） . 24 图 26： 2017 年海外激光公司业绩（亿美元） . 26 图 27： 2017 年海外激光公司毛利率情况（ %） . 26 图 28： 我国国产光纤激光器销售台数（万台） . 27 图 29： 我国不同功率激光器产量及国产化率（台） . 27 图 30： 中国激光元器件进出口金额（亿美元） . 28 图 31： 中国激光元器件进出口数量（万个） . 28 图 32： 中国低功率激光加工设备市场份额 . 28 图 33： 中国高功率激光加工设备市场份额 . 28 表格 1. 不同类型激光器对比 . 13 表格 2. 四种典型激光器性能对比 . 14 表格 3. 美国激光 技术拓展对 GDP 影响 . 17 表格 4. 激光材料加工具体应用领域和对应激光器类别 . 19 表格 5. 国外较成熟激光医疗器械及临床应用科室 . 22 表格 6. 海外领先的激光行业公司简介 . 25 川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 4/33 表格 7. 2017 年国内主要激光企业 . 29 川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 5/33 一、 激光产业链发展完备，市场空间 大 1.1 激光的原理及发展历史简介 激光是受激辐射 的 光放大 。 激光是指窄幅频率的光辐射线通过受激辐射放大和必要的反馈共振，产生准直、单色、相干的定向光束的过程。 激光的基本原理是基于 1917 年爱因斯坦提出的受激辐射理论 。 受激辐射的概念是：当原子处于激发态 E2 时，如果恰好有能量（ E2-E1）的光子射来，在入射光子的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迁到低能级 E1 上去，这种辐射叫做受激辐射。 理论研究表明，光的发射过程分为两种，一种是在没有外来光子的情况下，处于高能阶 E2 的一个原子自发地向低能阶 E1 跃迁，并发射一个能量为 E2-E1的光子，这种过程称 为“自发跃迁”， 由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射 。另一种发射过程是处于高能阶 E2 上的原子，在频率为的辐射场作用下，跃迁至低能阶 E1并辐射一个能量为 h 的光子，这种过程称为受激发射跃迁，受激发射跃迁发出的光波，称为受激 辐射 。 图 1： 自发辐射、受激辐射与受激吸收 资料来源： 中科院物理所， 川财证券研究所 激光的形成需要三个最基本的条件 ： 1.增益介质 在介质中实现粒子数反转；2.泵浦源 激励原子体系 ； 3.谐振腔 放大受激辐射强度。 激光产生的 必要条件是粒子数反转 ，在增益介质中实现 。 激光的产生必须选择合适的工作物质，可以是气体、液体、固体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 6/33 括从真空紫外到远红外，非常广泛。但从激光器输出的激光性能来考虑，对使用的工作物质是有一定的要求的，基本要求是（ 1）光学性质均匀，光学透明性良好，且 性能稳定；（ 2）有能级寿命比较长的能级 ； （ 3） 有比较高的量子效率 。 通常实现粒子数反转要依靠两个以上的能级：低能级的粒子通过比高能级还要高一些的泵浦能级抽运到高能级。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发激光材料，称为电激励；也可用脉冲光源来照射光学谐振腔内的介质原子，称为光激励；还有热激励、化学激励等。 各种激发方式被形象化地称为泵浦或抽运。 为了使激光持续输出，必须不断地“泵浦”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。 图 2： 通过泵浦实现粒子数反转 资料来源： ofweek激光网， 川财证券研究所 光学谐振腔实现强化光放大 。 为了强化光放大 ， 应使受激辐射光反复多次通过工作物质 ，实现这一目的的装置就是光学谐振腔。在激活物质的两侧配置两个反射镜，就构成了一个光学谐振腔。光学谐振腔具有三个作用： 1） 使激光具有极好 的方向性（沿轴线）； 2） 增强光放大作用 （相当于延长了工作物质）；3）使激光具有极好的单色性（选频）。 川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 7/33 图 3： 光学谐振腔工作原理示意图 资料来源： ofweek激光网， 川财证券研究所 激光具有非常纯正的颜色，几乎无发散的方向性，极高的发光强度 。 普通光源自始至终都是由自发辐射产生的，因而含有不同频率（或不同波长、不同颜色）的成分，并向各个方向传播。激光则仅在最初极短的时间内依赖于自发辐射，此后的过程完全由受激辐射决定。正是这一原因，使激光具有非常纯正的颜色，几乎无发散的方向性，极高的发光强度。而正是这些 神奇的特性，使激光在各个领域具有一系列令人难以置信 的应用 。 激光的发展大致经历了四个阶段 ： （ 1）理论阶段 （ 1917-1959） ： 激光理论始于爱因斯坦的受激发射理论，该理论于 1917 年 提出 ； 1928 年 Landenburg 证实了受激辐射“负吸收”的存在；1940 年 V.A Fabikant 在其论文中提出产生粒子数反转的实现方法 ； 1947 年受激辐射第一次被实验验证 ， 1950 年 Kastler 提出了光学泵浦的方法 。 （ 2） 实践阶段 （ 1960-1971） ： 这一阶段，不同类型激光器开始从实验室制作出来，进入人们的视野。 1960 年休斯顿实验室和 Lamb 共同研制出红宝石激光器，是公认的世界上第一台激光器。同年，第一台固体激光器和 氦氖气体激光器诞生； 1962 年第一台半导体激光器出现 ； 1963 年 帕特尔发明了第一台CO2 激光器； 1965 年 贝尔实验 室发明了第一台 YAG 激光器等等。 （ 3）商用 阶段 （ 1971-1989） ： 1971 年 出现了第一台商用 1KWCO2 激光器 ，这标志着激光从理论实践进入应用普及阶段，同年 激光用于舞台光影效果，以及激光全息摄像 ； 1975 年 IBM 投放第一台商用激光打印机； 1982 年 日本夏普公司制造 出 半导体激光器 ； 1988 年 北美和欧洲间架设了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。 （ 4） 延伸 阶段 （上世纪 90 年代至今 ） ： 1990 年，俄罗斯研制成功了大功率半川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 8/33 导体激光器。激光 开始广泛 用于制造业，包括集成电路和汽车制造 等 。 1991 年激光首次用于人体治疗近视，海湾战争中首次使用激光制导导弹； 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了脑瘤 。当下，激光技术已经无处不在，深深扎根于各行各业。 图 4： 激光发展历程 重大事件 资料来源： ofweek激光网，激光简史、发展与应用， 川财证券研究所 1.2 激光产业链完备，市场空间 大 激光产业 从上个世纪中旬 发展至今，产业链已经 极其 完备 。 激光行业上游主要为光学材料、光学元器件 、数控 等 ，中游包括 各类激光器（ CO2、 YAG、 光纤、半导体、燃料 ）和对应的激光设备， 下游已延伸至汽车、钢铁、造船、航空航天、电子通信、医疗、军事、科研等多个方面。 在具体应用方向上 ， 主要包括激光切割 、 焊接 、打标、钻孔、医疗、显示、照明、测量、熔覆、通信、微加工等。 川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 9/33 图 5： 激光产业链 完备 资料来源： 2017中国激光产业发展报告 ， 川财证券研究所 目前 ， 激光正以其优质的性能在各行各业加速渗透 ， 并延伸到更多的行业 ，属于渗透率与增量应用都在提升的一个领域。 全球激光行业发展形势良好。 根据 Strategies Unlimited 的数据 ， 2016 年全球激光系统集成市场规模达到 111 亿美元 ， 其中 激光加工设备收入规模为 31.7亿美元 ， 切割、打标、焊接是重要的三种加工方式 。 图 6： 全球激光系统集成市场规模（十亿美元 ） 资料来源： Strategies Unlimited， 川财证券研究所 0246810122012 2013 2014 2015 2016 2017E全球激光系统集成市场规模（十亿美元） 全球激光加工设备市场规模（十亿美元）川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 10/33 二、 激光器是激光 设备 的核心，光纤激光器性能尤为卓越 2.1 激光器 是 “皇冠上的明珠” 从 整个 产业链上来看 ， 位于上游的激光元器件及激光器在 2017 年 占全球整个激光设备 产业 市场的 20%， 低于激光装备 的占比 42%和加工服务 的占比 38%。虽然 激光器 占比不是最高 ， 但从激光设备中单个元器件的价值量 、 技术 壁垒 、工艺制造难度来说 ， 激光器 的含金量最高 ， 是当之无愧的 “皇冠上的明珠”。激光器行业参与者主要包括 美国的 IPG 公司、英国的 SPI 公司， 以及国内的锐科激光、创鑫激光等 。 图 7： 2017 年全球激光设备产业链上下游环节市场空间分布占比 资料来源： 锐科激光招股说明书， 川财证券研究所 激光的形成需要三个最基本的条件： 1.增益介质 在介质中实现粒子数反转；2.泵浦源 激励原子体系； 3.谐振腔 放大受激辐射强度 。 这也是构成激光器的三个核心部件。 以光纤激光器为例，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，光学系统由泵浦源、增益光纤、光纤光栅、信号 /泵浦合束器及激光传输光缆等光学器件材料通过熔接形成全光纤激光器，并在电源系统、控制系统的驱动和监控下实现激光输出。 42%38%20%激光装备 加工服务 激光元器件及激光器