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中國超快激光器應用場景及優勢發展趨勢分析[圖]

2019年05月17日 13:30:50字號:T|T

    一、概況

    超快激光器是指輸出激光的脈沖寬度在皮秒(10-12秒)級別、或小于皮秒級別的脈沖激光器,根據輸出激光的脈寬不同,超快激光器又可分為皮秒激光器、飛秒激光器、阿秒激光器等。超快激光是能量激光領域最重要的技術方向之一,作為一種新興的材料加工技術手段,在加工精度方面有著顯著優勢。隨著技術的逐漸成熟和成本不斷下降,超快激光市場有望在未來幾年迎來爆發。

激光器不同的分類方式

數據來源:公開資料整理

    1、連續激光器

    在工作時間內連續輸出穩定能量波形的激光器,其特點是功率較高,能夠加工體積大、熔點高的材料,如金屬板材等。

    2、脈沖激光器

    以脈沖形式輸出能量,根據脈沖寬度,脈沖激光器可進一步分為毫秒激光器、微秒激光器、納秒機關器、皮秒激光器、飛秒激光器、及阿秒激光器等;如果一臺脈沖激光器所輸出激光的脈寬在1-1000ns之間,稱之為納秒激光器,以此類推;將皮秒激光器、飛秒激光器、及阿秒激光器等,稱作超快激光器。脈沖激光器的功率遠低于連續激光器,但加工精度高于連續激光器,且一般情況下,脈寬越窄,加工精度越高。

    3、準連續激光器

    介于連續激光器和脈沖激光器之間,可以在一定周期內重復輸出比較高能量的激光,理論上來說也是一種脈沖激光器。

物質微觀體系中各瞬態現象的時間尺度

數據來源:公開資料整理

    超快激光是激光行業增長最快的細分領域之一,未來有望廣泛的應用于醫療生物、航空航天、消費電子、照明顯示、能源環境、精密機械等行業。2017年全球超快激光器市場規模超過9億美元,到2020年有望超過25億美元。2017年中國超快激光器市場約13.5億RMB,預計2020年超過50億RMB。

    二、應用場景

    超快激光在真正意義上實現了冷加工,在精密加工方面有顯著優勢,隨著超快激光器的生產工藝逐漸成熟,成本逐漸下降,未來有望廣泛的應用于醫療生物、航空航天、消費電子、照明顯示、能源環境、精密機械等下游行業。

超快激光器主要的下游行業

數據來源:公開資料整理

    1、醫療美容

    超快激光可用于醫療中的眼科手術設備和美容設備。飛秒激光被用于近視手術,被譽為繼波前像差技術之后“屈光手術的又一次革命”。近視患者的眼軸大于正常眼軸,使得在眼球調節松弛狀態下,平行光線經眼的屈光系統折射后的焦點落在視網膜之前。飛秒激光手術可以去除眼軸維度上多余的肌肉,使眼軸距離恢復正常。飛秒激光手術具有準確性高、安全性高、穩定性高、手術時間短、舒適性高等優點,已經成為當前最主流的近視手術手段之一。

正常視力者與近視患者眼軸距離的不同

數據來源:公開資料整理

    在美容方面,超快激光可用于去除色素和原生痣、去除紋身等,也可以用來改善肌膚的衰老情況。

    2、消費電子

    超快激光適用于消費電子制造過程中的硬脆透明材料加工、薄膜加工、精密打標等。手機鋼化玻璃和藍寶石是消費電子原材料中比較有代表性的硬脆透明材料,尤其是藍寶石,由于其硬度高,脆性大,使用傳統的機械加工方式效率和良品率很低;藍寶石現在已經比較廣泛的應用于智能手表、手機攝像頭蓋板、指紋模組蓋板等;納秒紫外激光和超快激光是目前切割藍寶石的主要技術手段,超快激光的加工效果比紫外納秒激光更好。此外,攝像頭模組、指紋模組使用的加工方式,也以納秒和皮秒激光為主。未來柔性手機屏(可折疊屏)的切割、及對應的3D玻璃鉆孔,主流技術也大概率是超快激光。

    超快激光在面板制造中,也有重要應用。OLED偏光片的切割、LCD/OLED制造過程中的剝離及修復,都可使用超快激光。

    3、顯示照明

    超快激光在顯示照明領域的應用主要是指LED晶片的劃線和切割,這也是超快激光適合硬脆材料加工的又一例證,超快激光加工的截面平整度高,崩邊顯著減少,效率和精度都大大提升。

    4、光伏能源

    超快激光在光伏電池的制造中應用空間廣闊。例如在CIGS薄膜電池的制造中,超快激光可替代原有的機械劃線工藝,顯著改善劃線質量,尤其是對于P2、P3劃線環節,可以做到幾乎沒有崩邊現象,也沒有裂紋和殘余應力。

CIGS薄膜模組制程

數據來源:公開資料整理

    5、航空航天

    為提高渦輪葉片的性能和使用壽命,進而提高發動機的性能,需要采用氣膜冷卻技術,這對氣膜孔加工技術提出了極高的要求,2018年西安光機所開發出國內最高單脈沖能量的26瓦工業級飛秒光纖激光器,并研制出系列化超快激光極端制造裝備,實現了航空發動機渦輪葉片氣膜孔的“冷加工”突破,填補了國內空白,這種加工方法較電火花加工等方法精度更高,成品率大大提升。

    超快激光還可應用于纖維增強復合材料的精密加工,加工精度的提升,有助于碳纖維等復合材料在航空航天等高端領域的應用拓展。

    目前超快激光器價格仍較昂貴,我們預計隨著其國產化并價格下降,在眾多行業中的大規模應用指日可待。國內一部分行業先行者,已經在生產超快激光加工設備,并取得了較好的市場反饋。如德龍激光已推出了基于超快激光技術的OLED模組激光精切設備、超快(皮秒/飛秒)激光打標設備、皮秒紅外顯示屏玻璃倒角激光加工設備、皮秒紅外玻璃晶圓激光切割設備等多種類型產品。

    全球來看超快激光處于快速發展階段,根據調查數據統計和預測,2017年全球超快激光器市場規模超過9億美元,到2020年有望超過25億美元;2017年中國超快激光器市場約13.5億RMB,預計2020年將超過50億RMB。

2015-2020年全球超快激光器市場規模及預測(億美元)

數據來源:公開資料整理

2015-2020年中國市場超快激光器市場規模及預測(億元)

    三、行業發展趨勢

    從國內用戶的視角來看,超快激光器的供應商可分為兩類:一類是以通快、相干、NKT、光譜物理等為代表的海外激光器廠商,另一類是近幾年快速追趕的國內廠商。

    中國是全球最大的電子產品制造國,全球每年超過90%的手機和電腦生產自中國,面板、集成電路等高端產能也正在大規模向大陸轉移,可以說中國是超快激光應用場景最多、市場空間最廣闊的地區。近年來中國的超快激光創業企業如雨后春筍,并且技術快速突破,進口替代的大幕正在拉開。

    1、國內占有優勢:

    中國將是超快激光器最大的應用市場:超快激光高精度的特點,尤其適用于3C產品的制造,而中國是全球最大的3C產品的生產基地,每年全球超過90%的智能手機和筆記本電腦在中國生產,集成電路、面板的高端產能近年來也正大規模向國內轉移,帶來了智能制造、精密制造的巨大應用市場。

    中國擁有全球最完整的工業體系:經過過去幾十年的發展,中國形成了從上游材料到下游應用的完整工業體系,使得設備的制造成本相對較低,加上國家政策支持,產研轉換環境大大改善,為超快激光器的產業化提供了良好的土壤,也使得國產超快激光器相對于進口產品來說,可以有較大的性價比優勢。

    高端人才的大規模回流:在激光行業,高端人才的回流在加快,這為超快激光的技術突破打下了人才基礎。目前國內的超快激光生產廠商如華日激光、安揚激光等都是由海外歸國人才所創立。良好的創業環境和各種地方政策大力支持,使得海外高端人才回國發展,正在成為一種大趨勢。

2015-2018年國產超快激光器銷售數量

數據來源:公開資料整理

    超快激光器的兩大核心訴求:高穩定性的超短脈沖、高脈沖能量。可以利用鎖模技術獲得超短脈沖,利用CPA放大技術獲得高脈沖能量,其中涉及的核心部件包括振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器等。

飛秒激光器結構示意圖

數據來源:公開資料整理

    超快激光器的芯片、特種光纖、布拉格光柵、泵浦源等,大多由專業的電子制造企業生產。芯片(20%-30%)+光纖(15%-20%)+泵浦源(20%)占了超快激光器總成本的約70%,該領域比較知名的公司包括芯片制造企業Lumentum、特種光纖制造企業。

    2.芯片

    激光芯片分為激光器芯片(發射端)和探測器芯片(接收端),其中,激光器芯片技術壁壘高,是光芯片中的“明珠”。從目前DFB/EML/VCSEL三大高端激光器芯片市場來看,美國和日本光器件廠商仍然占據市場主導,包括Finisar、Avago、三菱、Lumentum、II-VI等公司。2018年,Lumentum(原行業第二)以約18億美金的價格收購了Oclaro(原行業第三),兩者合并之后,銷售額一舉超過了Finisar(原行業第一),成為新的行業第一。近年來,受益于蘋果公司對用于3Dsensor的VCSEL激光器的海量需求,Lumentum與Finisar成為光器件行業內最火熱的廠商。國內具備VCSEL芯片量產制造能力的廠商主要是光迅科技和華芯半導體。此外,受到市場關注的芯片企業包括山東太平洋、深圳源國、國星光電、華工科技、三安光電及臺廠全新光電、晶元光電、環宇以及給蘋果供應VCSEL芯片的穩。

    3、特種光纖

    NKT公司是全球領先的高性能光纖激光器、光纖傳感系統和光子晶體纖維供應商,全球超快光纖激光器所使用的光子晶體光纖被丹麥NKT公司占據大部分市場份額,NKT公司于2017年下半年收購瑞士超快激光制造商Onefive公司,開始大規模出貨飛秒激光器和皮秒激光器。此外,CorActive(已被大族激光收購)和Nufern(現為相干子公司)也具備特種光纖的生產能力。國內公司中,安揚激光自建了光纖拉絲塔,可生產40余種各種用途的特殊光纖,擺脫了西方公司對光纖激光器產業鏈的控制。

    4、光柵

    脈沖展寬器和壓縮器需要一種特殊的反射型布拉格光柵。由于在光束傳播的方向上光柵的周期逐漸發生變化,當光從一個方向入射時,激光脈沖將在時間上進行展寬;當光沿相反方向傳播時,激光脈沖將在時間上被壓縮。啁啾體布拉格光柵產品專為飛秒及皮秒脈沖展寬和壓縮而設計。美國OptiGrateCorp是啁啾體布拉格光柵技術(VBG)的先驅,在該領域占據全球領導地位。2017年OptiGrateCorp被全球光纖激光器龍頭IPG收購。此外,美國的ONDAX公司也具備制造布拉格光柵能力。目前國內VBG生產商較少,依然需要大量從海外進口,國內的代理商包括上海昊量、筱曉光子等公司。

    核心零部件是每家超快激光企業的必爭之地,未來隨著核心零部件技術的突破,國內超快激光器的成本還有巨大的下降空間,國產超快的性價比有望進一步提升。

國內外超快激光核心零部件供應商

數據來源:公開資料整理

    隨著超快激光應用場景不斷成熟落地,有望復制高功率光纖激光器進口替代的道路。

    應用場景從高端向中低端下沉,超快激光加工設備的市場規模快速增長:超快激光很有可能成為新一代精密加工的主流方式,超快激光器的國產化,將帶動其售價降低,隨著應用場景越來越多,超快激光加工設備的投資機會有望先于激光器出現。

    超快激光器的進口替代:雖然目前中國超快激光器仍主要依賴進口,但國內激光器廠商在技術上進步迅速,隨著關鍵技術的持續突破,國內供應商有望打開進口替代的廣闊空間,隨著核心零部件的技術突破,優秀的企業有望實現收入和毛利的雙增長。

    下游新技術應用帶來超快激光市場爆發的可能性:折疊屏、陶瓷外殼等滲透率的提升,有可能帶來超快激光市場爆發。

    相關報告:智研咨詢發布的《2019-2025年中國半導體激光行業市場潛力現狀及投資戰略研究報告》 

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