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科技資訊

2020年中國激光產業市場研究報告精選

05月18日 12:02

1960年5月15日(北京時間5月16日),在美國休斯研究實驗室,梅曼成功制成了世界上第一臺可操作的波長為0.6943微米的紅寶石激光器,至今已60年。在梅曼發明激光器60周年之際,我們將與每年一度的國際光日(International Day of Light)一同慶祝。

激光是20世紀以來,繼原子能、計算機、半導體之后,人類科學史上的又一重大發明。原子能具有巨大能量和破壞力,在原子能基礎上,人類建立了全球核工業,核能運用于軍事、能源、工業、航天等領域;半導體是電子產業的基石,應用于汽車、能源、消費電子、航空航天、醫療等眾多領域,相對原子能而言,半導體應用更為廣泛;計算機它的應用領域從最初的軍事科研應用擴展到社會的各個領域,已形成了規模巨大的計算機產業,帶動了全球范圍的技術進步,由此引發了深刻的社會變革,計算機已遍及政府、企業、家庭、個人,成為信息社會中必不可少的工具;而激光成為先進制造技術和升級改造傳統工業的重要手段,已廣泛應用于材料加工、通信與光存儲、醫療與美容、研發與軍事、儀器與傳感器、娛樂顯示、增材制造等我國國民經濟幾乎所有領域。

激光

由于歷史原因,我國激光器應用市場整體起步較晚,二十一世紀初,國內高端激光器市場基本被國外企業壟斷,導致國內生產激光器原材料成本昂貴,終端激光器、激光加工設備價格高昂,限制了激光技術在制造行業中的廣泛應用。2009年前后,隨著國內科研機構和企業的創新技術突破,我國激光產業獲得快速發展,福晶科技、銳科激光、創鑫激光、大族激光、華工科技等企業快速迅速,國內激光產業已經基本形成激光材料/芯片、激光關鍵元器件、配套件、激光器、激光系統、應用開發、公共服務平臺等全產業鏈發展。

隨著“中國制造2025”行動綱領和“一帶一路”戰略的深入實施,制造業對自動化,智能化生產模式的需求日益增長,激光技術是現代高端制造前沿技術,在產業轉型升級過程中將扮演重要角色,激光加工應用也從一開始的食品、紡織、電子等輕工業領域,拓展至汽車、船舶、航天、航空、高鐵等重工業領域。除此以外,中國的激光市場還延伸至消費電子、通信、顯示、醫療、整形美容、增材制造、數據傳感器等新興領域。受益于國家政策的大力支持和市場旺盛需求,激光產業涌現出像大族激光、華工科技、福晶科技、銳科激光、創鑫激光、杰普特等一批優秀民族企業,助力我國激光產業快速發展。2018年我國激光產業市場規模收入達到713億元,同比增長18.05%,2019年,我國激光產業市場規模達到786億元,再創歷史新高,我國激光產業正向千億市場規模邁進。

圖1 2013-2019年我國激光產業市場規模及增長情況

圖1-2013-2019年我國激光產業市場規模及增長情況

下面我們將從激光技術先驅、激光企業、激光產業三個部分來回顧激光60年發展歷程。

一、激光技術先驅

西奧多·梅曼:

1960年5月15日(北京時間5月16日),梅曼博士在美國休斯實驗室點亮第一臺激光器,開啟了全新的激光新紀元。

1961年:激光器開始通過Trion Instruments、Perkin-Elmer和Spectra-Physics等公司出現在商業市場上。

1961年3月:在第二屆國際量子電子會議上,休斯研究實驗室的RobertW.Hellwarth提出了理論研究,表明通過使紅寶石激光器的脈沖更可預測和可控制,可以對紅寶石激光器進行重大改進。

1961年10月:美國光學公司的EliasSnitzer實現了了釹玻璃(Nd:glass)激光器的首次運行。

1962年:Hellwarth與FredJ.McClung一起證明了他的激光理論,通過使用電開關Kerr單元百葉窗產生的峰值功率是普通紅寶石激光器的100倍,巨大脈沖形成技術被稱為Q開關。同年,GE、IBM和麻省理工學院的林肯實驗室的研究人員同時開發了砷化鎵激光器,這是一種半導體器件,可以將電能直接轉換為紅外光,但是即使進行脈沖操作,也必須進行低溫冷卻。

1962年6月:貝爾實驗室報告了第一臺釔鋁石榴石(YAG)激光器。1962年10月,位于紐約州錫拉丘茲的GeneralElectricCo實驗室的咨詢科學家Nick Holonyak Jr發表了他關于“可見紅色”GaAsP(磷化砷化鎵)激光二極管的工作,這是一種緊湊,有效的可見相干光源,這是當今消費類產品(如DVD播放器和手機)中使用紅色LED的基礎。

小尼克·霍尼奧克(L.Brian Stauffer):

1963年初:《巴倫周刊》(Barron's magazine)估計商業激光市場的年銷售額為100萬美元。Logan E.Hargrove,Richard L.Fork和MA Pollack實現了鎖模激光器的首次演示,即帶有聲光調制器的氦氖激光器,鎖模是激光通信的基礎,也是飛秒激光器的基礎。同年,加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校的赫伯特·克魯默和俄羅斯圣彼得堡AF艾菲物理技術學院的Rudolf Kazarinov和Zhores Alferov團隊獨立提出了用異質結構器件制造半導體激光器的想法,這項工作使Kroemer和Alferov贏得了2000年諾貝爾物理學獎。

1964年:在使用HeNe和氙氣激光器工作了兩年之后,休斯研究實驗室的William B.Bridges發現了脈沖氬離子激光器,該激光器雖然體積大且效率低下,但可以在多個可見和紫外波長下產生輸出。Townes,Basov和Prokhorov因“在量子電子學領域的基礎性工作,從而基于maser-laser原理構造了“振蕩器和放大器”而獲得了諾貝爾物理學獎。同年,二氧化碳激光由貝爾實驗室的Kumar Patel發明,如今已在全球范圍內用作手術和工業中的切割工具。Nd:YAG(摻釹YAG)激光由貝爾實驗室的約瑟夫E.蓋西奇和理查德史密斯發明,后來,激光被證明是美容應用的理想選擇,例如激光輔助原位角膜磨鑲術(lasik)視力矯正和皮膚重鋪。

1965年:貝爾實驗室首次將兩個激光器鎖相,這是向光通信邁出的重要一步。Jerome VV Kasper和George C.Pimentel在加利福尼亞大學伯克利分校展示了第一臺化學激光器,一種3.7μm的氯化氫儀器。

1966年:休斯研究實驗室的Mary L.Spaeth發明了由紅寶石激光器泵浦的可調染料激光器。CharlesK.Kao與英國哈洛市標準電信實驗室的George Hockham合作,實現了光纖技術新的突破,共同提出光纖可以用作通信媒介,他計算了如何通過光學玻璃纖維在遠距離傳輸光,并決定使用最純凈的玻璃纖維可以在100km的距離內傳輸光信號,而相比之下,只有20 m的光纖可以傳輸光信號。由于他取得的成果,2009年Kao獲得諾貝爾物理學獎。

1970年:Basov,VA Danilychev和YuM.Popov在PN Lebedev物理研究所開發準分子激光器。

1970年春季:Ioffe物理技術研究所的Alferov小組和Bell Labs的Mort Panish和Izuo Hayashi小組生產了第一批實現室溫下連續波激射的半導體激光器,為光纖通信的商業化鋪平了道路。

1972年:查爾斯·H·亨利(Charles H.Henry)發明了量子阱激光器,與傳統的二極管激光器相比,量子阱激光器所需的電流要少得多,達到激射閾值,而且效率要高得多。Holonyak和伊利諾伊大學香檳分校的學生于1977年首次展示了量子阱激光器。

1975年:Jan P.Van der Ziel、R Dingle、obert C.Miller、William Wiegmann和WA Nordland Jr制造了第一臺量子阱激光器。

戈登·古爾德:

1977年:古爾德在芝加哥的街道下完成了貝爾實驗室光纖光波通信系統的第一個商業安裝。

1977年10月11日:古爾德獲得了光泵浦的專利。

1978年:LaserDisc進入家庭視頻市場,但影響并不大。最早的播放器使用HeNe激光管讀取媒體,而后來的播放器使用IR激光二極管。

Arthur Schawlow教授:

1981年:Schawlow和Bloembergen因其對激光光譜學發展的貢獻而獲得諾貝爾物理學獎。

1982年:麻省理工學院林肯實驗室的Peter F.Moulton開發了鈦藍寶石激光器,該激光器用于在皮秒和飛秒范圍內產生短脈沖。Ti:藍寶石激光器取代了染料激光器,可用于可調和超快激光器。

1982年10月:音頻CD(LaserDisc視頻技術的衍生產品)問世。Billy Joel的歌迷為之歡欣鼓舞,因為他的1978年專輯“52nd Street”是第一張發行CD的專輯。

王大珩:

1936年,畢業于清華大學物理系。

1938年,赴英國留學,先后就讀于倫敦帝國理工學院、謝菲爾德大學。

1948年回國,王大珩開拓和推動了中國光學研究及光學儀器制造、特別是國防光學工程事業。

1961年,在他的領導下研制出第一臺紅寶石激光器和首臺航天相機,主持研制出我國第一臺大型光測設備。在雷射技術、遙感技術、計量科學、色度標準等方面也都作出了重要貢獻。

1986年3月,會同其他3名科學家提出“863”計劃建議并獲中央批準,促使發展高科技成為實現我國科技現代化的一項重要戰略部署。

1992年,與其他學部委員倡議并促成建立中國工程院。榮獲國家科學技術進步獎特等獎、首屆“何梁何利基金科學與技術成就獎”。

2011年7月21日,王大珩在北京逝世,享年96歲。

激光市場

二、激光企業

Coherent:

相干(Coherent)公司是世界最大激光器及相關光電子產品生產商之一。相干公司現在是最全面的超快激光器系統供應商,提供從振蕩級、放大器、OPA、泵浦源到特殊制造的TW激光器等一系列超快激光器產品,脈沖寬度最窄到20fs;峰值功率最高可達100TW;單脈沖能量最高可達到5J。2019財年(截至2019年9月28日),相干公司銷售額達14.31億美元,截止目前,Coherent相干公司緊湊型連續可見光激光器Sapphire出貨量已突破50000臺。

1966年,Coherent在美國加利福尼亞州帕洛阿爾托成立,成立當年推出真正意義上的第一臺CO2商用激光器。

1970年,在美股上市。

1998年,Coherent公司以6500億美金收購Palomar Medical Technologiesi部分業務。

2003年4月,Coherent公司收購PositiveLight公司,成為全世界最大、最全面的超快激光器系統生產商。

2004年5月,Coherent收購了LambdaPhysik公司98%股權,并成功地將其在全球的銷售和維修網絡整合在相干公司旗下。

2005年5月,Coherent公司收購了TuiLaser公司及其全資子公司Bavarian Photonics(Tui Laser是最知名的小功率準分子激光器生產廠商,Bavarian Photonics以生產高功率調Q全固態激光器并以其對精細加工系統集成的全面支持能力而知名)。

2006年11月,Coherent(北京)商業有限公司正式成立,2007年4月,Coherent收購Nuvonyx公司一一后者是全球知名的高功率半導體激光器系統生產商,產品廣泛應用在熱處理、焊接、熔覆等領域。

2010年5月,Coherent收購激光設備制造商Beam Dynamics公司,后者主要研發制造工業級激光加工設備,用于各種切割應用之中,例如加工塑料、織物、皮革、椽膠、金屬、陶瓷和木材等。

1990年由PG主席兼首席執行官Valentin P.Gapontsev和IPG首席技術官Igor Samartsev成立。IPG已經全球最大的光纖激光制造商,其生產的高效光纖激光器、光纖放大器以及拉曼激光的技術均走在世界的前端。

IPG:

1996年,IPG推出了工業級,衍射極限(單模)10瓦光纖激光器。

2000年,IPG推出了使用其多光纖側耦合技術的100瓦衍射極限光纖激光器。

2002年至2003年之間,IPG開發了多千瓦工業級光纖激光器。

2006年,IPG在首次公開募股中籌集了超過9000萬美元的凈收益。

2007年,IPG在中國北京及2010年在其硅谷技術中心附近開設辦事處。

2010年,IPG推出了首個準連續產品。波(QCW)激光器進入市場。

2017年,全球IPG收入增長至14億美元,同比增長40%。

2018年,IPG被列入標準普爾500指數股票市場指數。

2019年,IPG實現營收13.146億美元,同比下降10%;凈利潤1.802億美元,同比下降55%;毛利率46.1%,同比減少8.7個百分點。

2020年,IPG在“OFweek2020(第六屆)中國激光在線展會”重磅推出新產品——YLR-4000機架式單模塊激光器。

Newport:

美國理波公司(NewportCorporation)成立于1969年,Newport是全球領先的光電子先進技術產品和系統的解決方案提供商,整合旗下Corion、NewFocus、OrielInstruments、RichardsonGratings和Spectra-PhysicsLaser子公司,供應客戶各類光源、光電儀器、光電調制器、激光器、光學平臺、亞微米定位系統、光學機械構件、震動隔離、光學元件、光學量測計等光電科技產品。

1991年,Newport Corporation收購了法國Evry的Micro-Controle的微定位產品部門。Micro Controle以其非凡的超高精度定位和運動控制系統的制造和設計而聞名于世。此后,Newport已成為定位和運動控制系統的全球領導者。

1999年,Newport公司收購了康寧OCA Incorporated的商業光學部門,成立了Newport精密光學業務集團。Newport Precision Optics通過高性能的光學元件,光學系統和增值的光機械子組件,將Newport設計和制造能力的提升到了新水平。

2004年,Newport收購了Spectra-Physics和相關的光子學公司。此次收購極大地擴大了Newport在公司目標客戶市場中的專業知識和產品范圍,從而增加了Newport的固態,氣體和染料激光器,大功率二極管激光器,超快激光系統以及光子學儀器的產品組合光譜和物理,Oriel儀器,Richardson光柵和Corion濾光片的知名品牌的產品和組件,包括光源,單色儀,光譜儀器,光學濾光片以及直紋和全息衍射光柵。

2009年,Newport從Oclaro手中收購了New Focus業務。此次收購擴大了Newport的產品范圍,包括了許多新的高性能產品,包括光電,高分辨率執行器,光電機械,可調諧激光器和專為原始設備制造商(OEM)設計的定制工程解決方案。

2011年,Newport收購了Ophir Optronics Ltd和High Q Laser GmbH。對Ophir的收購極大地擴展了Newport在紅外光學和光子儀器方面的能力,為Newport的產品系列增加了Ophir的精密紅外光學和透鏡組件;激光測量儀器,包括激光束輪廓儀,激光功率和能量計以及傳感器;三維非接觸式測量傳感器和設備。對High Q的收購擴大了Newport的超快激光器功能,特別是在生命,健康科學和工業市場中的應用,并擴大了Newport在歐洲激光器市場的影響力。

2012年,Newport收購了ILX Lightwave Corporation。對ILX Lightwave的收購擴展了Newport的光子學儀器和系統產品,將ILX的二極管激光器控制器和驅動器,溫度控制器,電流源,光功率和波長儀,半導體激光器/LED老化,測試和表征系統添加到Newport的產品組合中。

2016年4月,Newport成為MKSInstruments,Inc的全資子公司。

大族激光:

大族激光1996年創立于中國深圳,目前公司已經是亞洲最大、世界排名前三的工業激光加工設備生產廠商。該公司于2004年在深圳證券交易所上市,股票代碼:002008。目前全球員工超過13000人,總資產逾180億元,市值近340億。2012年以來公司憑借多元化拓展戰略,在新業務上的發展保證了整體業績的平穩,2010-2018年該公司營收復合增速達17.14%。

2017年公司大功率激光裝備、數控設備、LED焊線機等領域逐步進入收獲期,與消費電子行業需求旺盛產生共振,業績爆發,全年實現營收115.6億元,同比增長66.12%,創歷史新高。

2019年大族激光營業收入95.63億元,同比下降13.30%,營收首次跌破百億元大關。

三、激光產業

激光的理論提出到現在激光產業的蓬勃發展大致經歷了四個階段:

(1)理論階段(1916-1960年):激光理論始于愛因斯坦的受激發射理論,該理論于1916年提出;1928年Landenburg證實了受激輻射“負吸收”的存在;1940年V.A Fabikant在其論文中提出產生粒子數反轉的實現方法;1947年受激輻射第一次被實驗驗證,1950年Kastler提出了光學泵浦的方法;1953年:美國物理學家Charles Townes用微波實現了激光器的前身:微波受激發射放大;1958年,美國科學家肖洛(Schawlow)和湯斯(Townes)提出了"激光原理",他們為此發表了重要論文,并獲得1964年的諾貝爾物理學獎。

(2)實踐階段(1960-1971年):這一階段,不同類型激光器開始從實驗室制作出來,進入人們的視野。1960年5月15日,美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼宣布獲得了波長為0.6943微米的激光。1962年前蘇聯科學家尼古拉·巴索夫發明了第一臺半導體激光器出現;1963年帕特爾發明了第一臺CO2激光器;1965年貝爾實驗室發明了第一臺YAG激光器等等。

(3)商用階段(1971-1989年):1971年出現了第一臺商用1KWCO2激光器,這標志著激光從理論實踐進入應用普及階段,激光首次進入藝術世界,用于舞臺光影效果,以及激光全息攝像。英國籍匈牙利裔物理學家DennisGabor憑借對全息攝像的研究獲得諾貝爾獎;1974年第一個超市條形碼掃描器出現;1975年IBM投放第一臺商用激光打印機;1982年日本夏普公司制造出半導體激光器;1978年飛利浦制造出第一臺激光盤(LD)播放機;1988年北美和歐洲間架設了第一根光纖,用光脈沖來傳輸數據。

(4)延伸階段(上世紀90年代至今):1990年,俄羅斯研制成功了大功率半導體激光器。激光開始廣泛用于制造業,包括集成電路和汽車制造等。1991年激光首次用于人體治療近視,海灣戰爭中首次使用激光制導導彈;1996年,東芝推出數字多用途光盤(DVD)播放器;2008年法國神經外科學家使用纖維激光和微創手術技術治療了腦瘤;2010年,美國國家核安全管理局(NNSA)表示,通過使用192束激光來束縛核聚變的反應原料、氫的同位素氘(質量數2)和氚(質量數3),解決了核聚變的一個關鍵困難。

2011年,在漢斯·佐格(Hans Zogg)的指導下,瑞士蘇黎世聯邦理工學院(瑞士聯邦理工學院的一部分)的研究人員首次生產了一種垂直外腔表面發射激光器(VECSEL),該激光器在中紅外大約在5微米該波長范圍對于光譜應用非常有用。VECSEL的潛力促使研究團隊的成員成立了一家名為Phocone的公司來將該技術商業化。

2016年2月,在加利福尼亞州圣何塞舉行的SPIE高級光刻技術研討會上,半導體光刻工具制造商ASML宣布EUV(極紫外)光刻技術終于準備就緒。經過多年的發展,由于光源不夠亮,進展滯后了,ASML將其精力投向了激光產生的等離子體方法。通過這種方法,紅外CO2激光器向熔化的錫的微小液滴發射集中脈沖。過濾出最終的發射脈沖后,結果是一個13.5nm或EUV的光脈沖。該技術及其產生的波長比半導體生產中使用的193nm深紫外激光器短得多,是半導體制造領域持續發展的關鍵。

2017年,上海超強超短激光實驗裝置成功實現10拍瓦激光放大輸出,此次研制取得諸多突破,包括實現300焦耳以上能量水平寬帶激光放大輸出,10拍瓦激光主放大器采用的鈦寶石晶體直徑達235毫米,由中科院上海光機所自主研制。當下,激光技術已經無處不在,激光技術基本做到了在全球軍事領域及民用領域應用全覆蓋。

圖2激光產業發展歷程重大事件

圖2激光產業發展歷程重大事件

注:部分圖片內容來源于網絡,如有侵權,請聯系刪除。本文內容選自OFweek產業研究院發布的《2020年中國激光產業市場深度研究及投資機會報告》,如需了解詳細數據和更多市場內容,詳見完整版報告。