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中科院攻克激光电视核心技术2138acom太阳集团,行业发展上台阶

作者:电工电气    来源:未知    发布时间:2019-11-26 22:43    浏览量:

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激光加工加速渗透,光纤激光器应用前景广阔

欧洲和美国在激光领域起步较早,技术上具备领先优势,在大功率激光设备以及上游光纤激光器等重要领域占据领先地位。随着下游市场的发展,中国在激光产业链中的地位越来越重要,国内激光产业快速发展,开启了从依赖进口到替代进口的转变。目前国内激光企业相比国外企业在中低端产品具备竞争优势,国内市场也已经形成了阶梯型的竞争格局。建议关注涉足激光器生产的上市公司:锐科激光(300747.SZ)、华工科技(000988.SZ)、大族激光(002008.SZ)和金运激光(300220.SZ)等公司涉足激光器生产。

1.1.5连续光纤激光器放量,核心材料及器件自给,业绩高增长

1960年,世界出现第一束激光。1972年,第一台工业用激光切割机诞生。1985年,第一台光纤激光器研制成功。20世纪90年代,激光焊接设备功率升至20kW;2003年,千瓦级碟片激光器成功应用于材料加工。短短50多年,激光已悄然改变世界。

锐科激光于2007年2月由国家“千人计划”专家闫大鹏博士和华工激光合资成立,为国内第一家专门从事光纤激光器及核心器件研发并实现规模化生产的国家级高新技术企业,此前,全球市场几乎被美国IPG和英国SPI两家公司垄断。2011年,航天三江集团受让华工激光、闫大鹏、新恒通所持锐科股权,以相对控股的形式入主锐科激光。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光室研究员宁永强团队经自主研发,攻克了激光电视部分核心技术,“中国制造”激光电视离千家万户越来越近。该团队已成功研发出国内首个基于自主638纳米红光LD芯片的8瓦光纤耦合模块。团队成员彭航宇说,这意味着我国科研人员已经部分突破了激光电视最核心技术。

二、激光加工加速渗透,光纤激光器应用前景广阔

激光器则是激光发生的器件,其中按照增益介质、功率、脉冲宽度分类不一,如增益介质有固体、光纤、半导体、气体等。激光器则是激光发生的器件,其中按照增益介质、功率、脉冲宽度分类不一,如增益介质有固体、光纤、半导体、气体等。根据Strategies Unlimited的调研显示,2017年全球激光器的市场规模达到124.3亿美元,同比增18%,中国激光设备市场销售总收入达495亿元,同比增28.6%。

3.4.2中功率光纤激光器,国产与进口分庭抗礼

2013-2017年全球激光器行业收入

光纤激光器的优势:

3)横向拓展产品系列:公司产品线以脉冲和连续光纤激光器为主,未来公司将横向拓展直接半导体激光器、飞秒、皮秒超快激光器等,丰富产品系列,直接半导体激光器和超快激光器也是公司募投项目的重心,预计项目达产后将形成年产大功率脉冲及超快激光器3930 台、中高功率半导体激光器所需光纤耦合模块8170 台/套。

锐科激光自成立以来专注于光纤激光器及其关键器件与材料的研发、生产和销售,为激光装备集成商提供光纤激光器产品及解决方案,并提供技术研发服务和定制化产品,是国家火炬计划重点高新技术企业,拥有高功率光纤激光器国家重点领域创新团队和光纤激光器技术国家地方联合工程研究中心,具备从材料、器件到整机垂直整合能力。

3.4锐科激光领衔,高功率光纤激光器国产化可期

锐科激光的成长逻辑。

4)散热性好、全光纤结构,由于泵浦源、增益光纤、光纤光栅、合束器/耦合器、传输光缆构成的全光纤激光器,不存在自由空间光学结构,同时,光纤所具有的高“表面积/体积”比,散热效果好,有效地消除限制高功率激光器的增益介质热效应问题,光纤激光器具有可靠性高、稳定性好、工作寿命长的特点。

锐科激光股权结构

3)固体激光器的增益介质是掺稀土离子的晶体或玻璃,可以获得小型化大功率的输出,具有代表性的固体激光器有,a)在晶体中掺Nd3+的钇铝石榴石作为介质的Nd:YAG激光器,是大功率固体激光器中最普及的激光器;b)用Yb:YAG或Yb:YVO4作为增益介质的碟片激光器,将传统固体激光器的棒状晶体改为薄盘状晶体,表面积/体积比增大,提高散热性。

5)易实现大功率,泵浦模块可以串联、并联,单模组可合束成多模组。

盈利预测:我们预测2018-2020年公司实现营业收入15.60、22.25、31.01亿元;实现净利润4.99、7.37、10.53亿元。

激光加工应用广泛

1.1.1脱胎于华工激光,背靠航天科工集团

目前在金属切割领域主要以光纤激光器为主,CO2仍然有部分份额,此前在光纤激光器主要用于薄板切割,CO2激光器优势在于厚板,随着光纤激光器的价格下降、切割工艺的改良、高功率崛起,CO2激光器逐步被挤出金属切割领域,未来CO2激光器主要将应用于非金属材料加工。YAG激光器技术成熟,价格下降空间有限,目前主要用于打标和低功率焊接,未来将逐步被光纤激光器和直接半导体激光器替代。随着光纤激光器技术进一步成熟,其比较优势将更为突出,未来几年有望延续对传统激光器的市场替代,在材料宏观加工、微加工领域保持高增长,市场份额进一步扩大,而CO2激光器、YAG激光器等逐渐进入成熟期,产品创新相对有限,其市场份额将被光纤激光器挤占。

中国厂商最早的突破口是打标市场,低功率脉冲和连续光纤激光器壁垒低,给中国光纤激光器厂商提供了机会,锐科、创鑫、杰普特突破低功率脉冲光纤激光器后,通过大幅度降低价格,国产替代的同时,出口占领国际市场,在低功率市场,国产光纤激光器已绝对主导。根据中国激光产业发展报告2017年,我国低功率光纤激光器销售量为82500台,同比增长17.86%,国产化率达到96.97%。

激光器基本结构示意图

公司募投项目包括大功率光纤激光器开发及产业化项目、中高功率半导体激光器产业化及研发与应用工程中心项目,总投资额约11.2亿元,项目主要针对已开发的大功率光纤激光器、直接半导体激光器进行产业化和规模化生产,项目达产后将形成年产大功率脉冲及超快激光器3930 台、大功率连续光纤激光器5190 台、中高功率半导体激光器所需光纤耦合模块8170 台/套,有助于缓解公司大功率光纤激光器产能瓶颈,提升公司大功率光纤激光器泵浦源、大功率光纤无源器件、半导体激光芯片及特种光纤研发和生产水平,改善关键核心元器件和材料受制于国外的局面,增强公司大功率光纤激光器及中高功率半导体激光器的国际竞争力。

锐科激光

2138acom太阳集团,光纤激光器已逐步取代传统激光器在激光打标/雕刻、焊接/切割等领域的主导地位。根据Industrial LaserSolutions,2016年材料宏观加工市场中光纤激光器占43.8%,材料微加工市场中光纤激光器占35.0%,激光打标/雕刻市场中光纤激光器占47.4%。

激光器原理:激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件,由增益介质、泵浦源和光学谐振腔三部分构成。其中增益介质具有亚稳态能级结构,是激光生成的基础;泵浦源提供激励能量;谐振腔由激光光学镜片组成,为激光振荡提供正反馈,从而维持激光的震荡并影响激光的方向性。泵浦源通过激励能量激发增益介质实现粒子反转,反转后的粒子经弛豫后会以辐射形式再从激发态跃迁回到基态,同时将能量以光子形式释放,通过输出反射镜出射激光。增益介质包括光纤、固体、气体、液体、半导体等,泵浦源有泵浦灯、激光二极管等,光学谐振腔由一组全反射镜和输出反射镜组成。

2)光纤激光器优势显著,持续挤占CO2、YAG等传统激光器市场。2017年全球光纤激光器市场规模为20.39 亿美元,同比增长33.7%,5年复合增速为24.78%。与传统激光器相比,光纤激光器具有电光转换效率高、光束质量好、散热性能好、结构紧凑,免维护,柔性传输等特点,随着光纤激光器的价格下降、切割工艺的改良、高功率崛起,CO2、YAG等传统激光器市场份额逐步被光纤激光器挤占。2014年,光纤激光器超越CO2激光器成为份额最大的激光光源,在工业激光器中的占比从2013 年的33.82%上升至2017 年的47.26%。

多模组光纤激光器

4.2投资建议及评级

激光器运转方式和应用

1)上游垂直整合:光纤激光器核心材料及器件包括泵浦源、增益光纤、合束器/耦合器、光纤光栅、传输光缆、大功率半导体激光器芯片;公司在泵浦封装、合束器/耦合器、传输光缆已实现较高自给率;于2017年收购睿芯光纤,并实现增益光纤的批量生产,自给率不到3成,光纤光栅处于小批量验证状态,未来增益光纤和光纤光栅自产比例有望提升;暂不具备大功率半导体激光器芯片能力,或为后续突破重点;垂直整合能力的提升,一方面将提高竞争壁垒,另外一方面有助于提升毛利率或价格竞争力。

1)加工对象多样,可加工各种金属和非金属材料,包括高硬度、耐热合金,陶瓷、宝石、石英、玻璃等硬而脆的非金属材料;

1.1.4客户结构仍以第二梯队激光设备商为主

2014-2017年锐科激光产品结构

激光加工是以激光光子作为能量的载体,通过光子与材料的相互作用,引起材料一系列复杂的物理和化学变化,从而实现材料的制备、成形、改性、连接和去除等。按照光与物质的相互作用机理,激光加工可分为基于光化学效应的“冷加工”和基于光热效应的“热加工”两种。

3.3.3领军人才,研发力量雄厚

2017年,公司连续光纤激光器业务占比已达到75.51%,脉冲光纤激光器业务占比已降至18.42%,技术开发服务占2.08%,其他主营业务占3.91%,主要包括准连续激光器、特种激光器和直接半导体激光器等,处于爆发增长态势。

3.4.3锐科领衔 ,高功率国产化可期,将复制中低功率发展路径

功率密度对靶材的影响

2138acom太阳集团 1

光纤激光器是指利用掺稀土元素的玻璃光纤作为增益介质的激光器,采用大功率多模半导体激光器芯片阵列作为泵浦源,光纤光栅作为谐振腔。典型的光纤激光器主要由光学系统、电源系统、控制系统和机械结构四个部分组成,其中光学系统由泵浦源、增益光纤、光纤光栅、合束器/耦合器及传输光缆等光学器件通过熔接形成全光纤激光器,并在电源系统、控制系统的驱动和监控下实现激光输出。

3.3.1锐科激光已跻身全球光纤激光器厂商第二大

锐科激光是央企控股的混合所有制企业,上市后航天三江持有公司34%的股权,仍保持相对控股地位,公司创始人闫大鹏博士、李成博士、卢昆忠博士分别持股10.61%、4.31%、4.31%,民企新恒通持股10.34%,华工激光持股2.41%,公司核心员工杨宏源等38人持股2.36%。锐科激光受航天三江集团管理体系的约束,管理层在集团的考核下负责公司经营,其混合所有制体制,保证了公司高效的运营效率。

传统加工仍存在较大替代空间。以相对成熟的激光切割为例,对传统金属切削机床的冲裁与切割功能具有替代作用,近年来激光切割市场保持高速增长,但远未达到饱和。1)从市场规模看,根据OFweek,2017年我国激光切割设备市场规模为203亿元;2017年,我国金属加工机床总市场规模为299.7亿美元,同比增长7.5%,其中,金属切削机床市场规模达到184亿美元,同比增长7.8%。2)从出货量看,2017年,我国金属切削机床出货量在64.3万台,而中高功率连续光纤激光器的出货量仅为2.62万台。随着激光切割设备成本、效率优势的逐步显现,持续的市场替代空间较大。而对于激光焊接而言,渗透率还处于较低水平,主要应用于汽车、动力电池等高端制造领域;对于表面处理、增材制造还处于快速发展的初期。

1.5kw单模和多模激光器对比

2014-2017年锐科激光归母净利润

整个光纤激光器产业链呈金字塔型。全球光纤激光器厂商主要玩家包括美国IPG、nLight、Rofin,德国SPI,国内厂商主要有锐科激光、创鑫激光、杰普特等,主力光纤激光器厂商仅6-7家。下游激光设备商则相当分散,国内光纤激光器切割机厂商可能就超过200家。上游核心器件供应商则相当集中,大功率半导体激光器芯片供应商仅有Lumentum、II-VI、欧司朗、nLight、Dilas、长光华芯,增益光纤主要是Nurfen和Liekki两家,光纤光栅主要有ITF、Teraxion。

与传统激光器相比,光纤激光器具有电光转换效率高、光束质量好、散热性能好、结构紧凑,免维护,柔性传输等特点,被誉为“第三代激光器”。1)光纤激光器电光转换效率可达30%-35%,是传统固体激光器和CO2激光器的数倍,节能环保,其运行成本仅为同功率CO2激光器的一半,远低于传统固体激光器。2)光纤激光器产生的激光波长为1.08um,CO2激光器产生的激光波长为10.6um,而金属对1um波长的激光吸收率远高于10um,非金属对10um波长的激光吸收率远高于1um,从而金属更容易吸收光纤激光器产生的激光,非金属更容易吸收CO2激光器产生的激光。3)除吸收率差异外,光纤激光器产生的激光光束质量要优于CO2激光器,2000W的光纤激光器可达到4000W的CO2激光器的切割效果,甚至要更好,同功率的光纤激光切割机切割速度要比CO2的高2-3倍。4)YAG激光器电光转换效率很低,能耗大,主要是小功率,优势在于价格低廉。

2012-2017年全球工业激光器市场规模

三、国内光纤激光器龙头,高功率国产化可期

2)脉冲激光器以脉冲形式输出激光,主要特点是峰值功率高、热效应小、可控性好、光束精细发散小;特别适合于高精度打标、精密焊接、精密切割等微观领域加工;随着输出功率的增大,其加工材料已经逐渐从半导体、玻璃、陶瓷等延伸至合金材料、单晶金属材料等。根据脉宽的差异,脉冲激光器可进一步分为纳秒激光器、皮秒激光器和飞秒激光器,一般而言,脉冲时间越短,单一脉冲能量越高,加工速度越快,加工量越大,脉冲宽度越窄加工精度越高。

2.2激光加工加速渗透,光纤激光器应用前景广阔

费用率预测:1)规模效应下,公司销售费用率及一般行政费用率逐步下降;2)2017-2018年公司收入高增长,研发费用率摊薄,2019-2020年预计研发费用率维持在该水平。

2017年,公司实现营收9.52亿元,同比增长82.01%,实现归母净利润2.77亿元,同比暴增211.31%。2014-2017年,公司营收复合增速为74.39%,主要因连续光纤激光器业务放量,近三年复合翻番增长;归母净利润复合增速为235.37%,增速高于营收,主要因毛利率大幅提升,同时期间费用率因规模效应摊薄。毛利率提升,一是由于高毛利的连续光纤激光器业务占比提升,二是因上游核心材料及器件逐步实现自给,生产成本大幅下降。

公司脱胎于华工激光,后由航天三江控股,早期二者作为股东兼客户对锐科激光的技术积累和产品可靠性的打磨起至关重要的作用,随着产品可靠性提升和客户的拓展,来自于二者的收入占比已相对较低。锐科激光是伴随着国内中小激光加工设备商成长起来的,国内高端客户仍然被IPG垄断,2017年锐科激光前五大客户仍以国内第二梯队激光设备商为主。

3.3.2对标IPG,具备从材料、器件到整机的垂直整合能力

在双包层结构中,泵浦光的吸收率和内包层的几何形状和纤芯在包层结构中的位置有关。此外,泵浦光被掺杂稀土离子的吸收率正比于内包层和外包层的面积比。常见的双包层光纤有圆形、D形、偏心形、正方形、星形和长方形。常掺杂的稀土元素有铒、钕、镱、铥,工业应用中常用掺Yb双包层光纤作为增益介质。一般而言,双包层光纤的光光转换效率在70%左右,泵浦源的电光转换效率在50%左右,从而光纤激光器的电光转换效率约为35%,IPG声称可以做到40%以上。

1.1.3混合所有制典范,保证高效运营

1)商用化的液体激光器基本上是以有机染料为介质的染料激光器,由于介质寿命短、输出功率受限等缺点,已逐渐被钛蓝宝石激光器等固体激光器取代。

相比传统的机械加工,激光加工优势显著:

2)非接触性加工,无加工阻力,工件无机械变形,加工速度快;

2017年锐科激光产品结构

2.1光纤激光器原理

单模组光纤激光器

激光器分类:可以从增益介质、运转方式、输出波长、功率等角度对激光器进行分类。

航天三江集团隶属于航天科工集团,为我国固体运载火箭研制生产的主体与技术抓总单位,坚持军民融合发展,重点发展商业航天、激光装备等领域。航天三江入主大幅提升锐科激光整体实力及战略地位,一方面航天科工平台对激光器的需求拉动锐科技术突破,另外一方面也为锐科引进领军人才提供平台后盾。

3)技术开发服务:过往该项业务收入主要来自向航天科工集团及其下属企业提供技术开发服务,根据招股说明书,截至2017年末,公司在手技术开发服务合同在6000万以上,可支撑该项收入2018-2019年的增长。

根据《2018年中国激光产业回顾与展望》,2017年国内激光加工设备市场规模达到495亿元,同比增长28.57%,主要是受益于钣金切割、消费电子、新能源、PCB电路板等加工设备的旺盛需求,经过2016年增速放缓后,激光加工设备市场迎来全面爆发,预计2018年国内激光设备市场规模有望突破600亿元。

1.2上游垂直整合、高功率国产替代,光纤激光器龙头崛起

激光器下游为激光设备商,激光设备商采购激光器、电源、主机电脑、伺服电机、运动控制板卡、加工台、导轨、激光加工头、冷水机、辅助气体等组装成整机,销售给下游客户。对于大多数下游设备商而言,主要职能在于“组装+渠道+售后服务”,缺乏核心技术储备;除大族激光、华工激光外,大部分激光设备商聚焦于某个细分市场,如切割、焊接或打标等,且辐射范围具有一定的地域性;总体而言,市场格局相对分散,截至2014年底,我国已有激光相关企业200余家,已形成华中地区、环渤海、长江三角洲和珠江三角洲四大激光产业群。

3.3.4立足本土,服务响应快速

光化学效应的“冷加工”:短波长的紫外光子具有很高的负荷能量,可直接切断某些材料的分子或原子结合键,依靠光化学作用实现冷剥离,不产生“热损伤”副作用,如紫外激光应用于聚合物、瓷器等非金属材料的钻孔、光刻、表面处理等微细加工。

锐科激光各产品系统

2.2.1材料加工跃居激光器第一大行业应用

2.2.2传统加工替代空间大,光加工加速渗透

全球工业激光器收入构成

激光是由粒子受激辐射产生的光束,具有单色性、方向性、相干性、可控性和高能量密度的特点,被誉为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。激光技术是 20 世纪人类的重大科技发明之一,自1960 年第一台红宝石激光器问世以来,激光光源技术不断进步,发展出了多种类型的激光器,广泛应用于科技、工业、军事、医疗、通信等诸多领域。随着激光技术瓶颈的不断突破,激光应用领域正从广度和深度两方面日益拓展,逐步渗透到国民经济的诸多领域。据美国科学和技术政策办公室2010 年分析和统计,美国当年GDP 的50%与激光在相关领域的市场应用及不断广泛拓展相关,其中最主要的是激光在信息、制造业和生命科学技术领域中的贡献。

1)传统加工替代空间大,光加工加速渗透。2017年,全球工业激光器市场规模43.14 亿美元,同比增长26.10%,5年复合增速14.76%。随着技术、工艺演进,激光加工成本、效率优势愈加凸显,激光加工不断替代传统机械加工。传统加工仍存在较大替代空间,以相对成熟的激光切割为例,2017年,我国金属切削机床市场规模为184亿美元,出货量为64.3万台,而激光切割设备市场规模为203亿元,中高功率连续光纤激光器的出货量仅为2.62万台。

2)脉冲光纤激光器:低功率脉冲市场价格竞争激烈,逐步收缩,用于激光清洗、激光深雕等的高功率脉冲业务放量,脉冲业务总体保持稳步增长。

快速崛起的光纤激光器龙头

结合我们的草根调研,可测算出国内光纤激光器市场规模,2017年约在65-70亿,占全球光纤激光器市场的50%左右。其中锐科激光2017年实现营收9.52亿元,国内市占率在15%左右,仅次于IPG,IPG在国内市占率在60%左右。IPG在全球光纤激光器市场占据绝对寡头地位,全球市占率在70%左右,锐科激光规模虽与IPG仍存在较大差距,已跻身全球光纤激光器厂商第二大,占全球光纤激光器市场的7%左右。

3)加工精度高,激光加工的光斑可聚焦到微米级,输出功率可调节;

2009-2017年全球光纤激光器占工业激光器的比重

2)气体激光器利用气体分子作为增益介质,泵浦方法一般是对封入玻璃管内的气体放电,较普遍使用的气体激光器有CO2激光器和准分子激光器。

锐科激光研发团队人才突出、经验丰富,其中副董事长兼总工程师闫大鹏、董事兼副总经理李成、副总经理兼董事会秘书卢昆忠3名高层次人才入选国家“千人计划”,3 名“千人计划”人才均为光纤激光器及核心器件等领域的领军人才,以3名“千人计划”人才为核心,公司建立起以博士和硕士为主体的光纤激光器及核心器件的研发团队,并于2014 年入选国家重点领域创新团队。截至2017年,公司共有技术研发类人员205人,占全体员工人数的比重为24.29%,多数核心员工持有公司股份,研发团队较为稳定。

双包层光纤由外包层、内包层和掺杂纤芯所构成,外包层的折射率小于内包层的折射率,内包层的折射率小于纤芯的折射率,从而可形成全反射,构成双层的波导结构,其作用主要是:1)将大功率多模LD阵列产生的泵浦光转换为激光;2)与光纤光栅共同构成谐振腔。其工作原理主要是:将泵浦光通过侧面或端面耦合注入双包层光纤的内包层,泵浦光在内包层多次反射穿过纤芯,纤芯掺杂的稀土离子吸收多模泵浦光被激发,产生粒子数反转,光反馈的作用下产生激光振荡,辐射出较大功率单模激光,即将高功率、低亮度的泵浦光转换成衍射极限的单模强激光输出。由于泵浦光是耦合进大尺寸、大数值孔径的内包层中,因此可选用大功率多模半导体激光器芯片阵列作为泵浦源,为大功率激光器输出创造条件。

2014-2017年锐科激光归母利润

*nLight营收包括芯片、增益光纤销售

2014-2017年锐科激光营业收入

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