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紫外绿光激光器产业市场与应用趋势分析

紫外绿光激光器产业市场与应用趋势分析

发布时间:
2021/04/25
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紫外绿光激光器产业市场与应用趋势分析
 
激光器方面:我国激光器+激光设备行业目前合计的市场规模达到了658亿元(2019年),2013年行业仅为194亿,2013-2019年经历长达7年 的正增长。在激光切割方面,激光对于传统切割方式的渗透度约26.26%~30.65%,在激光切割设备中,高功率(1500W以上)占比仅为20.8%; 在激光焊接方面,由于成本原因,激光焊接占焊接市场比例较小,目前更多地应用于汽车/电池/精密金属加工/光通讯等。
 
  超快激光器成为近年来激光市场上最突出的增长点,2015-2019年复合增速为70.5%,而全球激光器市场2015-2019年复合增速仅为11%。2019 年国内从事超快激光器研发生产的企业超过25家,2019年市场空间达到24.5亿元,已成长为相当于国内光纤激光器收入体量30%的市场。
 
 激光器+激光设备行业目前合计的市场规模达到了658亿元(2019年),2013年行业仅为194亿,2013-2019年经 历长达7年的正增长。
 
 
  激光加工行业:切割具备工业易 耗品属性,拓宽新兴应用场景, 把握具备竞争门槛的环节。
 
 
 
 1.1 激光概念的厘清和分类:激光向低波长+高功率+超快方向延伸
 
  按照波长来划分,连续光纤激光器一般属于近红外光;IPG指引激光器正在向低波长延伸。
 
  光纤激光器,按照光的波长来划分,一般是从可见光到近红外光(500nm到1.5μm之间),其特点是:金属对该波长 范围内的光吸收能力较强,近红外光适用于金属加工。
 
  按照IPG年报指引,激光器正在向低波长延伸,半导体激光器、可见光激光器(蓝光、绿光等)及UV激光器等是其目 前主要拓展的产品。而传统的二氧化碳激光器、固体激光器(铒固体激光器、铥固体激光器等)则属于中红外、远红外 波长范围。
 
  按照工作方式来划分,光纤激光器又可划分为连续出光、脉冲出光,介于两者之间的为准连续激光。
 
  连续激光器:出光是连续的,峰值功率达到120KW,主要应用在切割、弧焊、钎焊、打孔等等
 
  半连续激光器(QCW):本质上还是脉冲出光,但是脉宽较长,峰值功率为23KW,主要应用在切割、弧焊、钎焊、 打孔、金属淬火(提高金属延展性、降低直流电阻),尤其适合在点焊、缝焊以及钻孔应用领域替代灯泵浦YAG激光 器。用途上跟连续激光器有一定重叠。
 
  脉冲激光器又可划分为纳秒、皮秒、飞秒脉冲激光器等
 
  纳秒激光器(脉宽较长):峰值功率为1MW,主要应 用在薄板的划线、刻蚀,钻孔,表面处理,淬火,打标 等。
 
  纳秒激光器(脉宽较短,以下更适用于微观精加工): 主要用在薄板的淬火、硅片/玻璃的切割等;
 
  皮秒激光器(脉宽达到皮秒级别):峰值功率大于 10MW,主要用于打黑、蓝宝石/玻璃切割,光伏 /OLED切割
 
  飞秒激光器(脉宽达到飞秒级别):峰值功率大于 29MW,金属薄板切割、钻孔,高精度加工,眼科手术 等。
 
  
 
  在工业激光器中,光纤激光器成长性最好,固体激光器近两年有所增长,气体激光器逐步萎缩
 
  全球范围内,光纤激光器2009-2018年销售规模从1.69亿美元增长至26.03亿美元,按照当前汇率计算约为180亿元, 期间CAGR为35.50%;光纤激光器在工业激光器中的占比从2009年的13.7%上升至51.5%。
 
  固体激光器16-18年快速增长,从4.7亿美元增长至7.4亿美元左右,期间CAGR为25.5%,主要原因系超快固体激光器 增速较快。
 
  
 
  在所有激光设备的下游用途中,工业加工为最主要应用方向,2019年工业加工在所有激光用途中的占比为40.6%; 相较于2018年而言下降4.4pct。
 
  仪器仪表与传感(更多应用于检测)与科研军事用途成为增速相对较快的领域,其2019年分别占比为8.4%、12%, 相较于2018年分别提高1.4%、5%。
 
  在工业加工中,按照使用的成熟度划分,打标>切割>焊接>精密加工。
 
  
 
  1.2  工业激光整体规模及行业变动规律
 
  我国激光器+激光设备行业目前合计的市场规模达到了658亿元(2019年),2013年行业仅为194亿,2013-2019年 经历长达7年的正增长。
 
  我们认为工业激光整体属于通用自动化范畴。从成长性来看,工业机器人(2013-2019年CAGR25.74%)>激光 (CAGR22.54%)>注塑机(CAGR8.82%)>金属成形机床(CAGR为0)。但整体周期波动较为一致,2014、 2017年景气度相对较高,2015、2018、2019年景气度相对偏低。
 
  
 
  1.3  连续激光市场:切割由成长走向成熟、但仍有望保持较快增速,焊接+其他用途接力
 
  激光加工渗透度:从激光设备与切割焊接设备市场空间来看
 
  根据我们的估算,我国冷切割设备存量约为16.62万台,热切割设备存量约为10万台;
 
  而根据中国激光产业发展报告(2019)及我们的估算,到2019年底我国切割用激光设备存量为7~8.16万台;
 
  不考虑效率差异,激光对于传统切割方式的渗透度约26.26%~30.65%;
 
  而激光切割在中厚板场景下效率逊于等离子切割设备,因此实际渗透度可能低于上述估算值;
 
  由于在激光切割设备中,高功率(1500W以上)占比仅为20.8%,高功率对于传统中厚板切割方式的渗透 度更低。
 
  激光焊接成本较高,决定了其自上而下渗透
 
  激光焊接代表企业联赢激光的设备单价:如果是成套设备(集成机 器人、自动上下料等),设备单价是数十万到上百万不等;如果是 激光焊接机,单价为20万以上;
 
  而传统焊机代表企业佳士科技、上海沪工设备单价:根据沪工招股 说明书,其手动焊机单价为1300-1400元左右,气体保护焊机 (更先进的产品)单价在3500-4000元左右;
 
  因而,激光焊接目前更多地应用于汽车/电池/精密金属加工/光通讯。
 
  
 
  
 
  焊接市场空间大,激光焊接占比较小
 
  焊接市场空间广阔,根据国家统计局数据,规模以上金属焊接切割厂商年收入合计达到475.46亿(2019年);
 
  而我国激光焊接市场目前的体量较小。参考中国激光产业发展报告2019,激光加工设备市场在2018年达到605 亿;参考strategies unlimited,2017年激光焊接占整体工业激光器应用的比例为16%。则估算激光焊接设备的 体量约为97亿元(由于激光焊接在国外汽车产业应用更为普遍,因而这一估算可能偏高)。
 
  
 
  1.4  超快激光器:精密加工应用场景应运而生,快速增长的新兴市场
 
  传统激光加工处理:起源于入射光子-受激电子-声子转化而成的热能,材料通过固态-液态-气态的三相热熔过程得到逐步去除, 并且其中的热扩散过程会影响加工处理的质量。
 
  与纳秒及毫秒激光器相比,超快激光器虽然整体功率更低,但由于其直接作用于材料分子震动的时间尺度,在真正意义上实现了 “冷加工”,因此加工精度大大提高。
 
  
 
  超快激光器的应用范围需要厘清,总结而言,其尤其适合脆性非金属材料加工(由波长决定,超快一般为紫外等)以及金属 薄片加工(超快也会有红外,目前成本较高)。
 
  激光焊接:超快激光器使普通激光难以焊接的特殊材料,如玻璃、陶瓷等实现焊接技术革新和突破。
 
  举例:飞秒激光玻璃焊接:电子元器件之间的微连接为大难题,传统的胶水粘合虽然可以实现多种材料之间的连接,但其易 老化、热解、易受热膨胀等缺点使得产品的可靠性难以保证;普通长脉冲激光的能量不易被玻璃吸收而且热膨胀易使玻璃碎 裂,并不适合微焊接玻璃等透明材料。超短脉冲激光与透明材料相互作用具有热效应小及非线性吸收的特点,非常适合透明 材料的微焊接,其原理是将高强度的飞秒激光聚焦在两块透明玻璃材料的分界面处,界面处的玻璃经历熔化以及再凝结等过 程,最终使得两块玻璃牢固的结合在一起。
 
  激光切割:激光切割:超快激光器不断挑战业界最高水准的切割效率,切割质量优于其他激光,满足更多潜在行业的应用需 求。
 
  举例:全面屏切割:传统切割方法的机械刀轮在异形切割时开始暴露出切割速度慢、精度低、存在较大毛边损伤等问题,激 光切割在上述方面优势明显,但仍然存在一定热影响,超快激光器的激光脉宽进一步缩短,可以使用更小的能量将玻璃切开, 从而对玻璃损伤更小。其他切割:面板制造中OLED偏光片的切割、LED晶片切割等。
 
  
 
  其他激光微加工:蓝宝石和陶瓷是普遍应用于微加工技术和精细加工的材料,然后由于其质地坚硬, 对热敏感,传统制造工艺很难完成,需要通过超快激光器进行微加工处理。
 
  蓝宝石凹槽铣削:蓝宝石是地球上仅此于钻石第二坚硬的材料,很难用机械的方法来加工,需要用激光 器来切割蓝宝石。
 
  陶瓷加工:陶瓷材料塑性变小、材料脆性大、易产生裂纹,扩展至脆性断裂,所以在切削加工过程中会 造成崩豁现象,甚至于整个工件报废。通过超快激光器可以完成陶瓷加工精细化处理,减少裂纹产生。
 
  光伏电池图案蚀刻:超快激光在光伏电池的制造中应用空间广阔。例如在CIGS薄膜电池的制造中,超 快激光可替代原有的机械划线工艺,显著改善划线质量,尤其是对于P2、P3划线环节,可以做到几乎 没有崩边现象,也没有裂纹和残余应力。
 
  
 
  飞秒激光金属箔切割:飞秒激光切割机是指采用脉冲激光时间为飞秒段的超快激光,其加工特性 在于对材料的热影响小,与材料作用时间超短,在某些材料上低于材料分子间的布朗运动时间, 因此热影响超小,也就不会造成超薄金属材料变形、产生毛刺、颗粒粉尘等。
 
  激光金属蚀刻,打标:相比普通激光器,超快激光器可以进行更精准的蚀刻及标记,更耐腐蚀。
 
  激光表面处理:激光表面处理是一种烧蚀过程,在该过程中,材料表面吸收聚焦的激光能量来实现 良好的修复、修饰效果。主要应用包括去除金属、玻璃和复合板上的油漆、粘合剂、氧化物、油污 和脱模等。
 
  
 
  航空领域:
 
  为提高涡轮叶片的性能和使用寿命,进而提高发动机的性能,需要采用气膜冷却技术,这对气膜孔加工 技术提出了极高的要求,2018年西安光机所开发出国内最高单脉冲能量的26瓦工业级飞秒光纤激光器, 并研制出系列化超快激光极端制造装备,实现了航空发动机涡轮叶片气膜孔的“冷加工”突破,填补了 国内空白,这种加工方法较电火花加工等方法精度更高,成品率大大提升。
 
  超快激光还可应用于纤维增强复合材料的精密加工,加工精度的提升,有助于碳纤维等复合材料在航空 航天等高端领域的应用拓展。
 
  医疗领域:
 
  飞秒激光视力矫正:在众多的近视矫正术中,全飞秒激光手术已经成为主流治疗近视眼的方法, 与传统的准分子激光手术相比,全飞秒激光手术具有手术准确度高、无明显疼痛感、术后视觉 效果好等优势。
 
  心脏支架切割:由于心脏支架壁管极薄,通常采用激光加工代替常规的机械加工。但是,使用 普通激光通过烧蚀融化来加工,这样加工的心脏支架存在毛刺多、切槽宽度不统一、表面烧蚀 严重、筋宽不均匀等一系列问题。近年来,国外企业已经开始采用飞秒激光进行支架切割。
 
  在医疗美容方面,超快激光可用于去除色素和原生痣、去除纹身等,也可以用来改善肌肤的衰 老情况。
 
  2019年全球激光器产业市场规模:2019年全球激光器销售额为147.3亿美元,相比2018年的137.6 亿美元销售额同比增长9.9个百分点。中美贸易战得到一定程度缓和,激光产品进出口表现出复出迹象。 2019年激光器在科研和军事市场持续扩张,增长率达到21%以上。
 
  中国激光产业市场规模:2019年中国激光器市场虽然有所增长但与前两年相比增速开始放缓。工业、 信息、商业、医学和科研领域的激光设备市场销售总收入为658亿元,较2018年同比增长了8.8个百 分点。
 
  超快激光器成为近年来激光市场上最突出的增长点,2015-2019年复合增速为70.5%,而全球激光 器市场2015-2019年复合增速仅为11%。2019年国内从事超快激光器研发生产的企业超过25家, 2019年市场空间达到24.5亿元,已成长为相当于国内光纤激光器收入体量30%的市场。
 
  
  激光产业链长、市场规模大,因而有大量的上市、非上市企业。
 
  近年来的趋势:细分环节的专业化程度越来越高。从竞争激烈程度而言,激光设备大于激光器大于激 光材料/器件。