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光纤激光器及其核心元器件市场及国产化概况
发布时间:2022-04-13    来源:光电汇   阅读次数:1196 分享到:
导 语
我国光纤激光器市场规模不断扩大,激光产业链日趋成熟,国产激光器市场占有率大幅度提高,究其根源得益于核心元器件国产化比例的提升。

最近十多年,我国激光行业迎来了黄金发展时期。尤其是处于中游的光纤激光器,在国家政策大力扶持和相关企业的研发投入下,国产光纤激光器品牌快速崛起。根据《2021年中国激光产业发展报告》数据显示[1],我国光纤激光器市场从2014年的28.6亿元增长到2020年的94.2亿元。据中科院武汉文献情报中心、中国激光杂志社、中国光学学会、光电汇产业研究中心联合发布的《2022中国激光产业发展报告》最新调研数据显示,2021年在华光纤激光器市场规模将突破120亿元。

国内外光纤激光器品牌市占率差距逐渐缩小
1960年美国西奥多·梅曼成功制造出世界上第一台红宝石激光器,此后,各种类型的激光器相继出现。紧随其后,中国马上就由王大珩院士领头在1961年制造出了中国第一台红宝石激光器,为中国激光产业的兴起奠定了基础。1961年,Snitzer等人使用光纤作为增益介质制成了世界上第一台光纤激光器。
在光纤激光器领域,国内起步相对较晚。在2007年之前,尽管国内高校、研究所等单位在光纤激光器领域开展了大量的研究工作并取得了诸多成就,但国内光纤激光器的产业化和产品化仍然较空白,在本土企业突破激光器核心技术前,激光器技术长期被国外企业垄断,直接导致激光器设备价格昂贵,限制了激光应用的拓展。
而当时中国加工制造市场对激光设备需求旺盛,国外以IPG、COHERENT、SPI为代表的厂商们都在积极介入中国市场,与中国厂家共同博弈国内广阔的加工制造市场,并一直占据着国内大部分市场份额。直到锐科激光、创鑫激光、杰普特等为代表的一批国产厂商崛起,不断突破技术瓶颈,依托本土市场的优势,持续抢占市场份额,目前中低功率段完全实现了国产化替代,正在不断实现高端市场的国产替代。

国产品牌市场规模占比逐年上升

2018年,欧美企业在国内的市场份额超过了60%,其中IPG在国内的市场份额近半,占比超49%,稳居第一,而相干、恩耐也分别占据着第四、第五的位置。但近几年,随着国内光纤激光器厂商的崛起,国产替代不断深化。2020年,IPG、恩耐、相干等国外企业在中国市场的销售额出现不同程度的下滑。IPG在中国的光纤激光器份额已从2019年的41.9%进一步萎缩到2020年的34.6%。相干更是从第五位退至第六位,市场份额下降至3.8%;恩耐位置不变,销售额略有下降。

而反观国产光纤激光器品牌,锐科激光从2018年17.3%的市场份额增长至2020年24.4%,直追IPG;2021年营收已增长至34.1亿元,几乎与IPG中国的市场份额持平(IPG 2021年在中国市场光纤激光器的收入为5.5亿美元,折合人民币34.8亿元)。创鑫激光也从2018年个位数8.9%的份额增长至2020年的16.6%;另外如杰普特、飞博激光、凯普林、GW光惠和热刺激光等国产品牌也快速崛起,挤压着欧美品牌的市场份额。可以看得出光纤激光器国产化程度正在进一步加深,能和欧美品牌分庭抗礼。预计2022年光纤激光器在华销售份额排名或将洗牌。 

中低功率领域国产品牌已基本实现替代,高功率竞争加剧
由于光纤激光器的性能及效率不断提高和国内厂商的不断发力,2017年后,光纤激光器的功率有了飞速提升,2019年千瓦级国产激光器销量实现了反超。从功率来看,目前在国内市场中,中低功率的光纤激光器已完全实现了国产化替代。而3 ~10 kW产品段国内市场的竞争趋于白热化,价格战主战场也从1-3 kW 产品段,转移至 6-10 kW产品段,万瓦级成了各厂家角力的焦点,光纤激光器国产替代的趋势也逐渐向万瓦延伸。
随着近几年,制造业升级、高端制造、智能制造等逐渐成为国内激光产业关注的新方向,激光技术应用领域越来越广泛,对激光器功率的要求越来越高,为了满足高端制造应用市场的需求,更高功率甚至万瓦级光纤激光器应运而生。
目前,锐科激光、创鑫激光、飞博激光、光惠激光、大科激光等陆续推出了万瓦级高功率光纤激光器,而下游设备商如大族激光、奔腾激光、宏山激光、邦德激光等企业集中推出2万瓦以上功率的激光切割装备,使得国产高功率激光切割装备有望大幅替换国外产品。因此,近两年6 ~10 kW功率段的国产高功率光纤激光器出货量显著提高。锐科激光2021年财报显示,其万瓦激光器2021年销售量超过2380台,其中,6 kW及以上高功率激光器销量超5900台。
相比过去几年核心元器件受制于进口,随着资本实力的增强和自主研发实力的提高,10 kW以上功率段的进口品牌与国产品牌的出货数量已旗鼓相当。这主要得益于国产高功率核心元器件的突破,如高功率光纤光栅、激光芯片等均出现了不同程度的替代,开始追赶国外水平。 

下面我们主要从光纤激光器的基本结构来看探讨其核心元器件,光纤激光器主要由泵源、合束器、光纤光栅、光纤、剥模器、隔离器(脉冲)、激光输出头等元器件构成。图1为中高功率(连续)光纤激光器构成示意图[2]。

1)泵浦源
泵浦源的作用是对激光工作物质进行激励,将激活粒子从基态抽运到高能级,以实现粒子数反转。泵浦源是激光器的核心器件之一,主要用于连续光纤激光器和声光调Q脉冲光纤激光器,其中半导体泵浦源约占光纤激光器总成本比例的50%,甚至更高。
泵浦源中的核心部件包括激光芯片和慢轴准直镜(SAC)、快轴准直镜(FAC)、偏振分束/合束器(PBS/PBC)、反射镜(Mirror)、聚焦透镜(Focusing lens)、光纤头(FTA)等激光光学元器件。图2为泵浦源元器件示意图。每个泵浦源需要使用1个偏振分束/合束器和1个聚焦透镜和1个光纤头,激光芯片使用数量取决于泵浦源的功率和单芯片功率,而每个激光芯片需要与1个慢轴准直镜,1个快轴准直镜和1个反射镜配套使用。

目前,锐科激光和创鑫渐实现了泵浦源和COS芯片的全面自主封装,但高功率激光芯片与进口芯片尚存在一定差距。目前市场上泵浦源的功率以100 W-400 W的为主,且呈现越来越高的发展趋势。锐科激光的350 W、370 W、500 W泵浦已实现大批量生产,目前泵浦模块最高能实现700-1000 W的输出,95%能量的NA处于0.17以内。创鑫激光也早已在2017年便实现了COS芯片自制。
激光芯片作为半导体泵浦源的核心部件,其功率高低和性能稳定性直接影响输出激光性能。激光芯片作为国内激光产业链十分薄弱的环节,长期以来我国高功率激光芯片几乎全部依赖进口,进口价格相对较高并且存在技术封锁。美国Lumentum和Ⅱ-Ⅵ、德国欧司朗等公司具备高功率激光芯片制造能力且可以外销,而美国 IPG、德国通快、Nlight可以制造该类芯片但不对外销售。国内如长光华芯、度亘激光、炬光科技、凯普林、华光光电等公司拥有自主设计能力芯片封装技术。目前,锐科激光主要向长光华芯和锐晶激光芯片公司采购芯片及泵浦源,根据其2022年预计日常关联交易计划显示,2022年采购额达到4亿元。创鑫激光2017年也开始自研单管泵源。
根据长光华芯招股说明书显示,2020年我国国内市场激光芯片的市场规模为5.29亿元。而根据《2021年中国激光产业发展报告》数据显示[1],2020年我国光纤激光器1-3 kW出货了约38000台,3-6 kW出货了约14000台,6-10 kW出货了约2400台,10 kW以上出货了约1600台,如表1所示。根据光电汇推算,2020年我国光纤激光器大致总出货了56000台(约194000k W),预计2021年光纤激光器总出货量将突破10万台(约309000k W)。按照市场上常用泵浦源的光光转化率70%左右,大约70%的工业用单芯片功率为20 W,30%工业用单芯片功率为10 W推算,2020年工业用激光芯片的用量约为2000万片,预计2021年用量为3190万片。
在国内从事激光芯片的研发队伍中,长光华芯走在了前列,2021年总营收已达4.29亿元,净利润实现1.15亿元,其高功率半导体芯片在国内市场占有率领先。目前,长光华芯已逐步实现高功率、高可靠性、高效率、宽波长范围单管芯片的国产化,可量产功率达到30 W,波长范围覆盖808-1064 nm,电光转换效率达60%-65%,产品技术水平与国外先进水平同步,下游客户更是覆盖了锐科激光、创鑫激光、大族激光、飞博激光等国内主流的激光器厂商。受产业链整体价格下降以及国内外厂商的竞争策略影响,芯片价格也呈现下降趋势。长光华芯目前已在科创板成功上市,激光芯片的国产化大势所趋。
光学元器件也是泵浦源的重要组成部分,其损伤阈值、同轴精度、镀膜质量等直接影响输出激光性能。其中快轴准直镜是一种非圆柱面微透镜,技术难度大,全球范围内仅少数几家公司掌握加工技术,市场主要供应商有Limo、Fisba、Svetwheel、海创光电等。几年前国内该产品完全依赖进口,但随着炬光科技收购Limo、海创光电自主研发出FAC产品后,国内FAC已实现国产替代,技术也达到国际领先水平。慢轴准直透镜、反射镜、偏振分束/合束器、聚焦透镜、镀膜光纤等其它泵浦源光学元器件均已实现国产替代,目前主要供应商有海创光电、炬光科技、Fisba、Ingeneric、II-VI、腾景科技等。IPG光纤激光器的泵浦源光学元器件均自产自用,不对外销售。

2)光纤
光纤分为有源光纤和无源光纤,占光纤激光器总成本的10%。无源光纤通过熔接的方式将光学器件各自部分的无源光纤连接实现激光在内部的传输,不参与波长的转换。有源光纤又称增益光纤,在光纤激光器中起着增益介质的作用,通过实现泵浦光到信号光的能量转换及在谐振腔内将泵浦光能量放大。另外,特种光纤作为一种在特定的波长上使用的特殊光纤,是光纤激光器中的关键原材料,同时也是激光传输最便捷的传输介质。
目前国产供应商的无源光纤产品已基本可以满足生产需求,国产供应商有长飞、上海瀚宇等。在激光器特种光纤领域,上市公司长飞早在2016年就开始涉足,并与创鑫激光和杰普特光电率先开展合作。最终在2018年底,长飞的产品具备了特种光纤的进口替代能力,并成为杰普特光电和创鑫激光的核心供应商。
自2019年开始,创鑫激光的国产无源光纤采购量已超过85%,国产有源光纤采购量超过了40%。锐科激光对于激光光纤,采取“自产+外购”两条腿走路的方式。2017年公司收购了控股股东航天三江集团旗下的睿芯光纤,并且开始大量采购睿芯光纤采购特种光纤产品。2021年上半年,睿芯光纤营收实现1.68亿元,净利润实现1.03亿元。 

3)光纤光栅
谐振腔的作用是筛选一定方向光子并进行放大。光纤激光器的谐振腔由光纤光栅构成,光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅,可以简单理解为存在于光纤中的反射镜,可决定激光器的输出波长与带宽,可控制激光模式与输出激光光束质量,是光纤激光器外购部件中成本较高的器件之一,大约占光纤激光器总成本的2%~5%。每台激光器需光纤光栅2只(即一对)。
目前,低功率光纤光栅已经能实现国产化并进行市场销售,而光纤激光器采用的中高功率光栅核心技术方面,国产供应商长飞、光库科技等也取得了一定的突破,而激光器厂商也实现了自制。锐科激光2017年曾向凌云光、上海瀚宇采购近2000万元的高功率光栅。据锐科激光2018年年报披露,公司通过自主研发已掌握光纤光栅关键技术并实现了规模化生产。2019 年其高功率光纤激光器用大模场光纤布拉格光栅及特种光纤顺利通过了湖北省科技厅组织的专家验收。而创鑫激光在2018年以前主要是向国外采购,2018年4月起,创鑫已实现光纤光栅器件的部分自主生产。到2019年二季度,创鑫激光光纤光栅自制率已达 44.6%。创鑫激光的光纤光栅技术不仅覆盖了单模光纤光栅(芯径10 μm),也可以生产大芯径多模光纤光栅(20 μm,25 μm,甚至更大芯径)。

4)合束器
合束器是利用熔融拉锥光纤束技术,将多束光纤合成为一根光纤所形成的器件,它可以将多束较低功率激光合成为一束更高功率激光。合束器主要分为泵浦合束器和功率合束器,其中泵源合束器主要占整个光纤激光器元器件成本的5%。
泵浦合束器是实现高功率单模块光纤激光器输出的关键器件;稳定的功率合束器技术是多模激光合束输出的基础。攻克光纤合束器的关键技术,研制出高效率高功率的光纤功率合束器,为获得大功率光纤激光提供强有力的支撑,已成为当今光纤激光领域亟需解决的关键问题。
目前国内合束器市场的主要参与者包括锐科激光、创鑫激光等激光器厂商,以及光库科技、朗光科技以及海创光电等元器件厂商,基本上实现了国产化替代。 

5)激光输出头
激光输出头能够实现将激光在应用场地远距离柔性输出,从而将输出激光传导至加工材
料上,完成激光加工应用。激光输出头内部结构复杂,需要同时兼具传输、散热、防回反光、预警等多功能,技术含量很高,占整个光纤激光器成本的3%。
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,由于激光输出头价值量较大,且外购成本较高(万瓦级的大约在5000元左右,千瓦级的大约在2000元左右),国内主要激光器制造商锐科激光与创鑫激光均已经掌握QBH及准直器技术,基本实现了自产,目前国内厂商QBH器件部分参数上已经与国外厂商相当。

6)隔离器
隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件,其工作原理是利用磁光晶体的法拉第效应,使反射的光能够被隔离器很好的隔离,提高光波传输效率。隔离器允许光以较低损耗从一个方向透过,同时以较大损耗阻止光反向通过。它放置在发射光路上,避免激光器在反射光下引起的性能劣化。
几年前,激光隔离器主要由EOTechnology公司生产。目前我国的激光隔离器已经批量生产,实现国产化替代。除IPG自产自用激光隔离器外,激光隔离器市场曾经主要由EOTechnology公司占据主导地位,随着国内企业竞争力不断增强,EOTechnology逐渐退出激光隔离器市场的竞争,目前市场上用于工业激光器的隔离器玩家主要是福晶科技、光库科技和海创光电,大约各占1/3的市场份额,形成“三分天下”的局面。

小 结
光纤激光器具有泵浦源、光纤光栅、合束器、隔离器等一系列核心部件。早年间,核心部件依赖进口导致光纤激光器制造成本居高不下限制了国内企业发展。
为了降低光纤激光器的生产成本,国产激光器品牌不同程度地实现了核心元器件自制,锐科激光已掌握包括泵浦源、特种光纤、光纤耦合器、传输光缆、功率合束器、光纤光栅等激光器核心器件及材料的关键技术和大规模生产能力。创鑫激光的泵源、合束器、光纤光栅、激光输出头、剥模器、隔离器、声光调制器、模式匹配器等90%以上的核心光学器件均已具备自产能力。此外,飞博激光也不同程度地实现了部分元器件自制,攻克了大部分无源光学器件的研发工艺。而凯普林光电在泵源、光纤光栅、合束器和光纤连接器等领域也均实现了自制。
国内激光产业链上游的光器件产业起步较晚,技术不够成熟,质量及稳定性难以满足市场需求,在此前都依靠进口产品,尤其是高功率核心器件,如芯片、光纤光栅等。但随着近两年国产元器件品牌的崛起,国内多家器件商布局产业链上游,如长光华芯、长飞光纤、光库科技、海创光电、炬光科技、福晶科技、腾景科技等已掌握大部分器件制造技术,高功率光纤激光器产业链已基本实现进口替代,即使是技术难度较的高功率激光芯片(长光华芯)、高功率光纤光栅(长飞光纤)、快轴准直镜(海创光电)等也已有国内供应商,核心器件的国产化有望进一步提升。但同时也要看到,国内激光核心零部件领域仍较薄弱,尤其是激光芯片领域,在性能、稳定性上还不具有全面替代国外产品的实力,仍处于起步阶段,但未来可期。 
参考文献
1、《2021中国激光产业发展报告》.中国激光杂志社,中国科学院武汉文献情报中心,中国光学学会
2、光纤激光器降本分析.国盛证券
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