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2016年7月
正文目录
1.激光的优异性能使其发展迅速,应用广泛..................................................4
1.1激光的特点及应用...............................................................................4
1.2激光产业链概况..................................................................................5
1.3全球和中国的激光市场规模................................................................6
1.4全球和中国激光市场竞争格局..........................................................10
2.激光是先进的基础性技术,行业发展前景可期.........................................15
2.1新材料和新工艺推动激光加工行业发展............................................17
2.2激光器技术和设备发展带动下游应用空间........................................19
2.3新兴激光应用的未来前景看好..........................................................21
3.相关公司介绍.................................................................................23
3.1激光加工及3D打印领域...................................................................24
图表目录
图表1:
激光器工作原理...................................................................................4
图表2:
激光器类型和重要应用领域.................................................................4
图表3:
2014年全球激光市场应用结构............................................................5
图表4:
激光产业链概况...................................................................................5
图表5:
2010-2015全球激光器销售额(亿美元)...........................................6
图表6:
2014-16全球工业激光器(不含光刻)收入规模................................6
图表7:
2014-2016全球工业激光器销售收入..................................................6
图表8:
光纤激光器结构...................................................................................7
图表9:
2009-15年全球各类型激光器销售占比.............................................7
图表10:
3D打印市场近年来高速增长.............................................................7
图表11:
3D打印市场预期增速加快.................................................................7
图表12:
使用激光技术的3D打印技术路线.....................................................8
图表13:
SLS(选择性激光烧结)3D打印技术原理.......................................8
图表14:
Velodyne公司的激光雷达.................................................................8
图表15:
谷歌Lidar无人驾驶系统....................................................................8
图表16:
LIdar(激光雷达)原理.....................................................................9
图表17:
激光雷达分类.....................................................................................9
图表18:
全球激光雷达市场空间预测.............................................................10
图表19:
2015-2030E中国激光系统市场规模...............................................10
图表20:
2012-2014年激光器全球四强收入稳定增长....................................11
图表21:
2014-16E全球用于材料加工的激光器收入.....................................11
图表22:
2014-16E全球用于微加工的激光器收入.........................................11
图表23:
2014-16E全球用于打标/雕刻的激光器收入....................................12
图表24:
2014-16E全球按应用划分的激光器收入.........................................12
图表25:
中国激光产业的区域分布................................................................12
图表26:
中国激光行业相关上市和新三板挂牌公司.......................................13
图表27:
国内未上市激光行业企业................................................................14
图表28:
国内工业激光行业竞争格局.............................................................14
图表29:
新材料和新应用推动激光加工行业发展...........................................15
图表30:
纳秒激光器与超短脉冲激光切割玻璃示例.......................................15
图表31:
不同激光脉冲下的材料加工对比.....................................................16
图表32:
激光加工未来将延展到面向更多材料..............................................16
图表33:
激光切割陶瓷...................................................................................17
图表34:
激光蚀刻ITO线路...........................................................................17
图表35:
半导体和PCB行业激光应用...........................................................18
图表36:
光纤激光器国内销售价格近年下降明显...........................................19
图表37:
激光美容仪器...................................................................................20
图表38:
激光用于医疗美容的领域................................................................21
图表39:
三基色纯激光显示成像光路示意图..................................................22
1.激光的优异性能使其发展迅速,应用广泛
1.1激光的特点及应用
激光技术、计算机技术、原子能技术、生物技术,并列为二十世纪最重要的四大发现。
早在1916年爱因斯坦提出受激辐射的概念,激光的原理就被发现。
直到1960年美国科学家发明了红宝石激光器,从此人类拥有了激光这一利器。
物质由原子组成,原子可以吸收热能、光能、电能等形式的能量,然后电子可以从低能量轨道跃迁至高能量轨道。
当一个或多个电子处于较高的能阶时,我们称原子受激态,电子可透过吸收或释放在能阶之间跃迁。
当光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶时,释放光子,也就形成了激光。
激光器一般由三部分组成,一是激光工作介质,固体气体液体都可以作为工作介质,但并不是所有物质都可以用作激光辐射,一是要求介质必须有亚稳态的能级结构;二是激励源,也就是激光器的能量来源,用以实现工作介质的粒子数反转,可以有电光热和化学等多种激励方式;三是谐振腔,通过光学谐振腔进行光放大和选择,从而产生高能激光。
图表1:
激光器工作原理
激光器按照激光介质分,一般可以分为CO2激光器、固体激光器、半导体激光器、二极管激光器和染料激光器等。
图表2:
激光器类型和重要应用领域
由于激光单色性好,相干性好,方向性好,亮度高等优异特性,使其在工业生产、科技探测、军事等方面得到了广泛应用,40多年来,激光技术与应用发展迅猛,已与多个学科相结合形成多个应用技术领域,比如光电技术,激光医疗与光子生物学,激光加工技术,激光检测与计量技术,激光全息技术,激光雷达,激光制导,激光可控聚变,激光武器等等。
激光器的应用市场可以分成五大部分:
1)材料加工与光刻;2)通信与光存储;3)医疗与美容;4)科研与军事;5)仪器与传感器。
2014年,全球材料加工和光刻激光器市场已经超过通信和光存储业务成为激光产业中最大的市场。
医疗和美容激光产品销售总额仍然大于仪器和传感部分,最后是科研和军事细分市场。
图表3:
2014年全球激光市场应用结构
光纤激光器和半导体激光器的发展突飞猛进,各种先进激光加工设备与加工技术层出不穷,这些因素将推动激光工业加工应用保持高个位数比例增长。
1.2激光产业链概况
激光产业链可以分为上、中、下游三个部分:
上游主要为光学元器件、光学材料及配套电源、机械、数控等;中游主要为各种激光器及其配套设备;下游主要为汽车、钢铁、消费电子、轻工五金行业等。
图表4:
激光产业链概况
1.3全球和中国的激光市场规模
目前,从高端的光纤到常见的条形码扫描仪,每年和激光相关产品和服务的市场价值已高达上万亿美元。
其中,激光器占激光行业主导地位,根据IndustrialLaserSolutions的数据,2014年全球激光器销售收入约92亿美元,增长达6%,随着新兴应用不断呈现,2015年的销售收入为97-99亿美元,保持6%-8%的增长速度。
在全球激光器细分市场中,材料加工与光刻和通信与光存储占据份额的第一和第二,分别为39亿美元和36.3亿美元。
在激光加工领域,大功率的CO2激光器和光纤激光器分庭抗礼,占据超过70%的市场份额。
图表5:
2010-2015全球激光器销售额(亿美元)
图表6:
2014-16全球工业激光器(不含光刻)收入规模
2015年全球工业激光器(不含光刻)的销售收入相比2014年实现了6.9%的增长,主要是得益于光纤激光器强劲的销售增长。
由于受到来自光纤激光器的竞争,CO2激光器的跌幅最大。
光纤激光推动激光行业的技术升级浪潮,潜力巨大。
图表7:
2014-2016全球工业激光器销售收入
光纤激光器最显著的优势是具有极高的泵浦效率,一般情况下泵浦转换效率为70%-75%,比工业用二级管泵浦的固体激光器高得多。
因此降低了激光器系统制冷和功率需要,能够比传统固体激光器的结构更为紧凑,同时光纤激光器的光束质量更高,器件寿命更长。
光纤激光器的输出波长涵盖范围广,可满足各方面的应用需求,在工商业、通信、军事、医学等方面都有很好的应用前景,在未来几年内光纤激光器将会有更大的发展。
图表8:
光纤激光器结构
图表9:
2009-15年全球各类型激光器销售占比
¡3D打印和激光雷达
WohlersAssociates发布的报告称,2009-2014年全球3D打印市场快速增长,平均增速约30%。
预测到2018年全球3D打印机市场将加速增长,平均增速超过60%。
而激光器是多种技术路线3D打印机的主要部件,未来将受益于3D打印市场的快速增长。
图表10:
3D打印市场近年来高速增长
图表11:
3D打印市场预期增速加快
激光3D打印机是根据系统内目标件的形状参数,利用激光精准加热技术将金属、陶瓷、塑料、砂等不同打印材料在指定位置融化并逐层粘结成型的立体增材技术。
激光3D打印应用仍然有巨大提升空间,一方面通过有效提高工件的力学特性以应用到更广泛的领域,另一方面激光器和数控系统的升级也将使单机能够满足更多个性化需求。
3D打印作为先进制造的一种技术,未来想象空间巨大。
使用激光技术的3D打印技术路线主要有SLS(选择性激光烧结)、DMLS(直接金属粉末激光烧结)、LMD(激光融覆)、SLM(选择性激光熔化成型)等。
图表12:
使用激光技术的3D打印技术路线
SLS的技术原理如下所示,激光器是其中的核心部件。
图表13:
SLS(选择性激光烧结)3D打印技术原理
LiDAR——LightDetectionAndRanging,即激光雷达,是利用激光、全球定位系统GPS和惯性测量装置(InertialMeasurementUnit,IMU)三者合一,获得数据并生成精确的数字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)。
简而言之,就是激光束探测目标的位置、速度等特征量的高精度雷达系统。
原用于军事领域,目前已延伸至汽车无人驾驶领域。
图表14:
Velodyne公司的激光雷达
图表15:
谷歌Lidar无人驾驶系统
激光雷达的工作原理与雷达非常相近。
由激光器发射出的脉冲激光由空中入射到地面上,打到树木上,道路上,桥梁上,房子上,引起散射。
一部分光波会经过反射返回到到激光雷达的接收器中。
接收器通常是一个光电倍增管或一个光电二极管,它将光信号转变为电信号,记录下来。
同时由所配备的计时器记录下来同一个脉冲光信号由发射到被接收的时间T。
激光雷达(Lidar)和毫米波雷达(RADAR)的主要区别是激光雷达发射的是可见和近红外光波而毫米波雷达使用的是无线电波。
这一区别使工作频率较微波高了许多,也来带来了很多优点,如:
分辨率更高,隐蔽性好、抗有源干扰能强,体积小、质量轻等。
图表16:
LIdar(激光雷达)原理
激光雷达最初起源于军事需要,凭借激光雷达实现高清晰度的成像以收集足够的细节来识别敌方目标。
民用领域中,激光雷达可以分为一维激光雷达、二维激光雷达、三维激光扫描仪、三维激光雷达等。
激光雷达的主要应用仍然在测绘之中,其中二维激光雷达和三维激光雷达可以实现空间建模,可以使用在机器人、无人机探测和无人驾驶技术之中。
图表17:
激光雷达分类
随着激光雷达技术不断革新,精度和性能大幅提高,其作为计算机感知外界地形、障碍的有效工具,正在不断扩展应用领域,如无人驾驶汽车、机器人、自动化生产、地形勘探、安防、采矿等领域。
根据市场调查公司MarketsandMarkets的预测,2014年激光雷达的市场空间已达到2.5亿美元,2014年到2020年预计保持16.3%的复合增长率,于2020年将达到6.25亿美元的市场空间。
其中,激光器的销售量预计达1.85亿美元。
图表18:
全球激光雷达市场空间预测
根据高盛报告的数据,中国工业激光系统(不含3D打印)的规模2015年为53亿美元。
高盛预计到2025年,3D打印机的市场容量将逼近工业激光系统,达到86亿美元,同时激光雷达的市场空间可达到36亿美元。
据《光电产品与资讯》报道,中国光学学会激光加工专委会统计数据显示,2014年中国激光加工产业总收入约270亿人民币,其中激光光源与激光加工设备销售额达到近215亿人民币,激光加工收入约55亿人民币,较2013年240亿的产值增长了12.5%左右,行业企业平均利润率超过10%以上。
图表19:
2015-2030E中国激光系统市场规模
1.4全球和中国激光市场竞争格局
无论在全球还是中国市场,做为核心部件的激光器目前还是由欧美公司占据领先位置。
2012-2014年激光器全球四强(Cohernet,Rofin,IPG,Trumpf)收入稳定增长,光纤激光器的领导厂商IPG增长明显,在最近的2015年中取得17%的增速,销售额达到9.01亿美金。
在四大激光器厂家中,只有Trumpf涉足下游应用业务(机床和其他集成业务)。
而在2016年3月,美国相干公司(Coherent)与罗芬激光公司(ROFIN)宣布:
相干将以每股32.5美元的价格收购罗芬公司,总收购价大约为9.42亿美元。
图表20:
2012-2014年激光器全球四强收入稳定增长
在2014年,光纤激光器占据工业激光市场近50%的份额,并在2015年超过了一半(54%)。
光纤激光器在各类工业应用中的主导地位愈发明显,同时增速最快,CO2激光器同比下降。
工业激光器的下游应用中,增材制造的增速最快。
图表21:
2014-16E全球用于材料加工的激光器收入
图表22:
2014-16E全球用于微加工的激光器收入
按应用划分中,59%的收入要归于使用平均功率大于1kW激光器的材料加工市场,该领域继续以每年9%的速度在增长,随着价格因素的影响,更高功率(>1kW)的激光器得到更多的应用,其中大部分是光纤激光器。
图表23:
2014-16E全球用于打标/雕刻的激光器收入
图表24:
2014-16E全球按应用划分的激光器收入
我国激光产业呈区域分布,主要由环渤海、长三角、珠三角、华中地区、西南地区和东北地区。
图表25:
中国激光产业的区域分布
国内激光行业上市或挂牌公司除了龙头大族激光、华工科技外,其他业内企业普遍体量较小。
在产业链中分布在下游应用环节的企业数量最多,尤其在打标和切割领域。
新三板已挂牌公司中,下游从事系统集成的企业数量最多,如天弘激光、联赢激光、圣石激光、嘉泰激光、帝尔激光、银河激光等,其中部分企业涉足中游从事激光器研发和生产。
三优光电、精湛光电、炬光科技位于产业链上游。
奇致激光、爱科凯能、建通测绘、博冠股份、神戎电子等从事非工业激光的研发和应用。
图表26:
中国激光行业相关上市和新三板挂牌公司
除已经上市或新三板挂牌的公司外,国内还存在数十家规模以上的行业公司。
图表27:
国内未上市激光行业企业
目前国内公司以华工激光产业链布局较完善,大族激光2015年启动激光器自制计划。
国内激光行业低端应用竞争激烈,如在激光切割领域,由于缺乏核心技术、产品同质化严重,竞争更加激烈。
竞争产生的趋势有:
¡下游激光设备集成厂商往中游发展,自制激光器
如大族激光、联赢激光。
从下游集成做起,逐渐往中游激光器方向发展,增强产业链控制能力。
¡中游激光器厂商往下游发展,从事行业设备制造
图表28:
国内工业激光行业竞争格局
2.激光是先进的基础性技术,行业发展前景可期
2.1新材料和新工艺推动激光加工行业发展
金属加工是激光材料加工的重要部分,非金属材料如蓝宝石、陶瓷、玻璃等的加工将会是激光应用更广阔的舞台。
随着激光冷加工的兴起,其所能加工材料的范畴逐渐扩大。
传统的激光打标、激光切割、激光焊接与自动化装备更紧密的结合后,能够更好的起到精密、快捷、柔性制造的作用,在智能制造的大背景下未来将扮演更重要的角色,并进一步提升制造业的装备水平。
比较典型的新型行业应用如蓝宝石、玻璃和陶瓷的切割,激光金属融覆等。
图表29:
新材料和新应用推动激光加工行业发展
蓝宝石在珠宝首饰、半导体衬底材料、光学窗口器件领域应用广泛。
蓝宝石的超硬特性造成其加工具有很大难度,传统加工方式一般采用金刚石加工。
而激光加工具有快速、高精度的特征,在蓝宝石的后端切割中的地位逐步明确。
尤其超短脉冲激光较早期的纳秒或微秒激光器具有更大的优势,切割后的蓝宝石边缘整齐、无热效应、无刮渣。
图表30:
纳秒激光器与超短脉冲激光切割玻璃示例
超短脉冲激光器是产生飞秒量级(10−15s)光脉冲的的设备,超短脉冲(USPL)激光器现在已经慢慢从研究实验室转移到了工业微加工。
皮秒和飞秒级别的脉冲宽度使得材料能够不经过液化直接气化。
通过冷消融可以实现对玻璃、金属、陶瓷和聚合物的逐层去除。
图表31:
不同激光脉冲下的材料加工对比
蓝宝石材料已在iPhone等手机指纹识别及镜头保护盖上大量应用,未来随着消费电子的发展,蓝宝石、玻璃和陶瓷材料预计将在手机、可穿戴设备上有更多的应用,并且用于未来柔性显示器的新型聚合物材料同样用传统制造方法无能为力。
在消费类电子产品中使用激光加工的优势非常明显,未来可以预期对激光加工设备的需求也将进一步显现。
随着新型激光器如紫外激光器、超短脉冲激光器的不断成熟,激光光谱及波长能够更容易的被控制,激光在新材料加工方面将能发挥更大的作用。
图表32:
激光加工未来将延展到面向更多材料
新型陶瓷材料则通过高纯、超细人工合成无机物为原料,采用精密控制工艺烧结而制成,因而具有比由通过粘土烧制的传统陶瓷材料更优异的性能。
由于陶瓷较硬且脆,使用传统刀具加工难度很大,激光加工技术能够实现快速的划片、精准的深度控制,从而提供较好的断面质量。
玻璃材料传统上都使用物理刀具加工,因为红外光谱的激光会穿透玻璃,因此只能使用紫外波长的激光器进行玻璃加工。
随着紫外、皮秒等新型激光技术的发展
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