2022年激光行业产业链及竞争格局分析.docx

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1、2022年激光行业产业链及竞争格局分析一、激光行业长坡厚雪1.1 激光：二十世纪最重要四大发明之一激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写 LASER）顾名思义是指受激辐射发出的 光，其产生的具体过程是：原子中的电子吸收能量后会从低能级跃迁到高能级，由于高能级非稳定态，跃迁后 的电子会自发从高能级回落到低能级，同时释放能量并发出光子，此过程为自发辐射，自发辐射过程产生的光 相位、方向等杂乱无章。爱因斯坦指出，若此辐射过程中伴有一个外来光子入射，则辐射会产生两个与外来光 子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子

2、，新产生的光子又会诱发其他辐射过程产生双倍的特征相同 的光子，此过程为受激辐射，类似核反应的受激辐射最后会得到一束准直、单色、相干的定向光束，这便是激光。由于激光是由相干的光子构成，因此与普通光相比激光具有更佳的方向性，相同功率下亮度更高、能量密 度更大。如激光器发射的激光光束发散度极小，大约只有 0.001 弧度，接近平行。1962 年，人类第一次使用激 光照射月球，尽管地月距离长达 38 万公里，但是激光在月球表面的光斑不到两公里，而同样看似平行的探照灯 射向月球，按照其光斑直径理论上将覆盖整个月球。定向发光的特性也使得激光的亮度更高，在激光发明前， 人工光源中高压脉冲氙灯亮度最高，而红宝

3、石激光器的激光亮度能超过氙灯几百亿倍，红宝石激光器发射的光 束在月球上产生的照度约为 0.02 勒克斯（光照度单位），颜色鲜红光斑肉眼可见，而即使用功率最强的探照灯 照射月球所产生的照度也仅有一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。由于具备良好的光学特性，激光自从 二十世纪 60 年代被发明后便一直被广泛应用于航空航天、军事、医疗、微电子等领域，也因此激光和原子能、 半导体、计算机并称为二十世纪最重要的四大发明。1.2 激光渗透率提升是必选项从长期视角来看，人口老龄化背景将促使激光在工业领域不断渗透。当前中国已步入老龄化社会，且老龄 化趋势仍在加剧。2021 年全国 65 岁以上人口占总人口比例

4、高达 14.2%，且该比例增长有加速趋势。根据泽平宏 观援引世界银行的数据，2020 年中国老龄化水平已排在全球第 63 位，超过全球平均水平。老龄化持续加剧引 发社会劳动力短缺问题突出，而激光自动化加工设备可以大大提高生产效率，弥补因劳动力短缺带来的生产力 不足问题。因此长期来看，激光技术渗透具有重要意义。从中期视角来看，制造业人均产值提高需借助激光自动化设备来完成。根据 Wind 数据，和美国、日本等 发达国家相比，我国制造业人均产值仍处于低水平。且根据前瞻经济学人数据，激光在中国制造业所占比重为 30%，与美国、德国等发达国家仍有较大差距。激光自动化设备在工业领域的广泛应用可以提高工业生

5、产效率， 从而提高制造业人均产值，使制造业真正实现转型升级。因此，未来我国人均 GDP 若要赶超美国等发达国家， 必须继续提高激光在制造业中的使用比重。从短期视角来看，当前制造业投资景气度向好，推动激光行业加速成长。根据 Wind 数据，截至 2020 年 3 月底，工业机器人和金属切削机床月产量均在环比提升，反应制造业景气度向好。行业高景气度促使激光加工 设备渗透更为容易，激光行业短期成长确定性强。1.3 政策为激光行业保驾护航国家相关支持政策明确了激光行业作为国家战略性新兴产业的重要地位。激光产业是国家长期重点支持发 展的产业，2006 年以来，国家相继出台多项支持激光行业发展的政策，如中

6、国制造 2025、“十三五”国家战 略性新兴产业发展规划、高端智能再制造行动计划（2018-2020）年及中华人民共和国国民经济和社会发 展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要等。二、中游激光器是产业核心2.1 激光器介绍激光器是产生激光的核心装置，主要是由泵浦源、增益介质、谐振腔等光学器件材料组成。激光器的核心 原理是利用泵浦源激励增益介质发生粒子数反转进而使其受激辐射产生光并通过谐振腔对光进行调整输出形成 激光。在激光器构成中，泵浦源的作用是激励增益介质发生并维持粒子数反转，激励的方式由增益介质的特性 决定，一般包括电激励、光学激励、化学激励和核能激励等，泵浦源激励的过程即是激光器

7、吸收能量的过程， 而增益介质发生粒子数反转后输出激光的过程是释放能量的过程，因此泵浦源激励方式即是激光器能量转换方 式；增益介质的作用是吸收泵浦源的能量发生受激辐射产生激光，增益介质可以是固体、气体、半导体和液体 等，其特点是具有合适的能级结构和跃迁特性；谐振腔通常是由两块反射镜组成，主要用来使受激辐射光子在 腔内多次反射形成相干的持续振荡，并对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定 的单向性和单色性。激光器可以按照增益介质种类、泵浦方式、输出激光波长、运转方式等进行分类。（1）按照增益介质种类分类，激光器可以分为气体激光器、液体激光器、固态激光器，其中固态激光器又 可分

8、为固体激光器、光纤激光器、半导体激光器等。a）气体激光器：增益介质是气体的激光器，一般通过放电 得到激发，常见的气体激光器有氦氖激光器、CO2 激光器、准分子激光器；b）液体激光器：所采用的增益介质 主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液，其中金属离子（如 Nd）起工作粒子作用，而无机化合物液体（如 SeOCl2）则起基质的作用；c）固体激光器：增益介质一般是晶 体或玻璃，一般由半导体激光器阵列光照泵浦得到激发，包括最常用的固体激光器 Nd：YAG 激光器（掺钕钇 铝石榴石）、增益介质为 Yb：YAG（掺镱钇铝石榴石）的碟片激光器（适用于高功率输出）等，

9、固体激光器具 有峰值功率高、热效应小、加工精度高的特点，一般主要用于薄性、脆性材料和非金属材料的精细微加工领域； d）半导体激光器：也称激光二极管，增益介质一般是砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS) 等等材料制成的半导体面结型二极管，应用较广的是性能较好的具有双异质结构的 GaAs 二极管激光器；e）光 纤激光器：增益介质为掺杂稀土元素的玻璃光纤，属于固态激光器的一种，具有输出激光束质量好、能量密度高、电光转换效率高、使用方便、可加工材料范围广、综合运行成本低等诸多优势，被广泛应用于宏观加工领 域的金属材料切割、焊接、钻孔、烧结等，在工业应用中占主要地位，根

10、据 Laser Focus World，2020 年全球工 业激光器销售收入中光纤激光器占比达 52.7%；根据2021 中国激光产业发展报告，2020 年中国工业激光器 市场规模中光纤激光器占比达 67%。（2）按照泵浦方式分类，激光器可以分为光泵浦激光器、电泵浦激光器、化学泵浦激光器、热泵浦激光器、 核泵浦激光器等。由于增益介质的特性不同，其发生粒子数反转的条件也不同，因此需要用不同的方式泵浦。 几乎全部的固体激光器、光纤激光器均采用光泵浦；大部分气体激光器及一般常见的半导体激光器均采用电泵 浦；一些特殊的激光器采用化学或核泵浦。固体激光器、光纤激光器通常用半导体激光器作泵浦源。（3）按照

11、输出激光波长分类，激光器可以分为红外激光器、可见光激光器、紫外激光器。不同结构的物质 吸收的光波长范围不同，因此不同材料或不同场景下的激光加工需要不同波长的激光器。红外和紫外是运用最 广泛的两种激光器，a）红外激光器主要应用于“热加工”，将材料表面的物质加热并使其汽化（蒸发），以除去 材料；b）在薄膜非金属材料加工，半导体晶圆切割，有机玻璃切割、钻孔、打标等领域，高能量的紫外光子直 接破坏非金属材料表面的分子键，使分子脱离物体，这种方式不会产生高热量反应，因此通常被称为“冷加工”， 紫外激光器在微加工领域具有不可替代的优势。由于紫外光子能量大，难以通过外激励源激励产生一定高功率 的连续紫外激光

12、，故紫外激光一般是应用晶体材料非线性效应变频方法产生，因此目前广泛应用工业领域的紫 外激光器主要是固体紫外激光器。（4）按照运转方式分类，激光器可分为连续激光器、脉冲激光器，其中脉冲激光器按脉宽又可以分为毫秒 激光器、微秒激光器、纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器等。a）连续激光器：工作特点是激光输出可以在 一段较长的时间范围内以连续方式持续进行，大部分光纤激光器和以连续电激励方式工作的气体激光器及半导 体激光器均属于此类，连续激光器工作稳定、热效应高，适合于金属材料的连续高速切割、焊接，以及表面热 处理、激光熔覆、激光快速成形等宏观加工；随着输出功率的逐渐增加，对诸如钛合金、钨合金、特种钢材

13、等 高强度、高硬度材料的加工速度和加工质量越来越高；b）脉冲激光器：主要特点是峰值功率高、热效应少、可 控性好、光束精细发散小，适合于打标、钻孔、硅片及玻璃划片、精密加工等领域。对于不同脉宽的脉冲激光 器而言，脉冲时间越短，单一脉冲能量越高，加工速度越快；波长越短，作用半径越小，加工精度可以越高。（5）按照输出功率分类，可将光纤激光器分为小功率（3kW）， 对于固体激光器，一般将 10W 以下的归类为低功率，10W 以上为中高功率。进一步对比固体激光器和光纤激光器，固体激光器尤其是短波长、短脉宽的紫外皮秒、紫外飞秒激光器， 在目前的激光精细微加工领域应用最为广泛，而光纤激光器在宏观加工领域应用

14、较多。这主要是由于固体激光 器的特点决定：a）瞬时功率高。在精细微加工实践中，时常需要在短时间内释放巨大能量来击穿被加工材料， 固体激光器的高脉冲功率可以满足这一要求。而光纤激光器受限于增益介质过于细小，无法承受较大的瞬时功 率，过大的瞬时功率很容易使其增益介质受损，从而影响输出激光的质量和稳定性；b）热效应小。固体激光器 在实现超高瞬时功率的同时可将其平均功率控制在较小的范围内，因而可以满足精细微加工中的“冷加工”需 求；c）加工精度高。固体激光器可以有效输出高聚焦度、短波长的紫外激光，在精细微加工领域，高聚焦度和 短波长意味着激光的作用半径更小，更能够实现精确控制和定点处理。光纤激光器则凭

15、借高功率的特性未来仍 将主要应用于宏观加工领域。2.2 市场规模近年来激光加工技术一方面凭借其优势正逐步替代宏观加工领域的传统加工工艺，另一方面随着技术进步 正逐步向精细微加工的增量市场拓展，这促进了激光器行业市场规模的不断增长。据 Laser Focus World 数据， 全球激光器销售收入从 2017 年的 137.7 亿美元增长至 2021 年的 184.8 亿美元，CAGR 达 6.1%；另据 Laser Focus World 数据，中国激光器市场规模从 2017 年的 69.5 亿美元增长至 2021 年的 129 亿美元，CAGR 达 13.2%。2.2.1 光纤激光器光纤激光

16、器领域，中国市场贡献主要增长驱动力。根据 Laser Focus World 数据，全球光纤激光器市场规模 到 2020 年达 27.2 亿美元，但 2019 年后增速大幅下滑甚至 2020 年转负，主要系中国光纤激光器厂商市场份额 持续提高叠加成本价格下降所致。2014-2018 年全球光纤激光器市场规模从 9.6 亿美元增至 26.0 亿美元，复合增 速达 28.3%。2018-2020 年全球光纤激光器市场规模小幅增长，复合增速仅 2.3%。根据武汉文献情报中心数据， 中国光纤激光器市场规模到 2020 年达 94.2 亿元，2014-2018 年从 28.6 亿元增至 77.4 亿元，

17、复合增速达 28.3%， 和全球水平基本一致。2018-2020 年中国光纤激光器市场规模复合增速达 10.3%，仍保持两位数水平，成为全球 光纤激光器市场规模增长的主要驱动力。2.2.2 半导体激光器根据 Laser Focus World 数据，预计 2021 年全球半导体激光器市场规模达 79.5 亿美元，从 2016 年的 48.4 亿美元增至 2021 年的 79.5 亿美元，CAGR 达 10.4%。着眼高功率领域，根据 Strategies Unlimited 数据，预计 2021 年全球高功率半导体激光器市场规模为 19.8 亿美元，约占整个半导体激光器市场规模的 25%，其中

18、约 47.5% 的高功率半导体激光器直接应用，约 27.4%的高功率半导体激光器用于光纤激光器泵浦源，约 25.2%的高功率半 导体激光器用作固体激光器泵浦源。2.2.3 超快激光器超快激光器市场近几年是激光市场最突出的增长点。皮秒、飞秒激光器也称为超快激光器，通常属于固体 激光器，由于具有瞬时功率高、热效应小、加工精度高的优势，被广泛应用于精细微加工领域。由于精细微加 工领域多为半导体及光学、显示、新能源及科研等新兴领域，受益于新兴领域的高速成长，超快激光器市场规 模近几年保持较高增速，是激光市场最突出的增长点，其增速高于激光器整体增速。根据 Laser Focus World 数 据，全球

19、超快激光器市场规模从 2016 年的 6.4 亿美元增至 2020 年的 18 亿美元，复合增速达 29.5%，高出激光 器整体增速 19 pcts。中国市场超快激光器市场规模增速更快，从 2016 年的 6.2 亿元增至 2020 年的 27.4 亿元， 复合增速达 45.0%，比全球水平高 15.5 pcts，主要得益于中国市场需求的强劲增长。未来随着制造业进一步向 高精尖、智能化方向发展、激光精细微加工将逐步成为高端精密制造领域的核心加工工艺，推动超快激光器市 场规模继续保持高速增长。2.3 竞争格局产业链中游是激光器制造商，A 股上市公司有锐科激光、杰普特、英诺激光、德龙激光（部分业务

20、为激光 器业务）等，非上市公司有创鑫激光、凯普林等，国外知名公司有美国 IPG、nLight、相干、德国通快等。由于 光纤激光器是目前工业激光器领域最主要的类型，在宏观激光加工领域具有重要地位，而超快激光器是激光器 行业增长最突出的部分，且未来在精细微加工领域将持续获得高增长，因此本节主要针对这两类激光器做分析。2.3.1 光纤激光器国产替代进入攻坚期，未来将聚焦高功率光纤激光器领域，IPG 是世界龙头，锐科激光是国内龙头，全球竞争格局较为集中。据 Future Market Insights 数据预测，2021 年全球光纤激光器厂商中，IPG 市场份额为 50%，排在全球首位，德国通快、锐科

21、激光、Lumnetum、 Fujikura 市占率排在其后，分别为 17%、9%、8%、4%，全球前五大厂商中仅锐科激光为中国企业，CR5 达 88%， 全球竞争格局较为集中。IPG 等国外企业 2018 年后收入出现下滑，而国内厂商锐科、杰普特等保持增长。根据 wind 数据，在全球 激光市场持续增长的背景下，IPG 从 2008 年到 2018 年收入维持增长，从 15.66 亿元增至 93.14 亿元，CAGR 达 14.7%。但 2018 年后全球经济放缓，国际贸易摩擦不断，2019 年 IPG 收入下滑 8.5%，2020 年世界范围内的疫 情爆发，对 IPG 收入进一步造成冲击，使

22、其下滑 14.6%，2021 年随着疫后全球经济复苏，IPG 收入基本回到 2019 年水平。而国内厂商起步较晚，2014-2018 年锐科激光、创鑫激光、杰普特经过多年研发，不断推出更具价格竞 争力的产品扩大市场份额，2014-2018 年三家公司收入 CAGR 分别为 58.2%、26.8%、39.0%，而 IPG 同期收入 CAGR 仅为 20.8%。2018-2021 年国产厂商技术不断获得突破，凭借成本优势在国内市场份额持续提高，尽管全 球激光器市场规模增长停滞，但由于中国市场仍保持高增长，因此锐科、杰普特等国产厂商收入仍实现高增长， CAGR 分别达 32.9%、21.4%。中国市

23、场上，IPG 市占率持续下滑，份额逐渐由锐科、创鑫等国产厂商替代，21Q4 锐科市占率首超 IPG 跃居首位。根据武汉文献情报中心数据，2017 年 IPG 在中国光纤激光器市场占有 52.7%的市场份额，之后随着 国产厂商的竞争力不断加强，IPG 在中国光纤激光器市场的份额逐年下滑，到 2021 年为 28.1%，此间市占率减 少 24.6 pcts，但截止 2021Q3 其仍为中国光纤激光器市场占有份额最高的企业。与之相对应的是，在国产替代的 大趋势下，锐科激光、创鑫激光在中国光纤激光器市场的份额逐年提高，分别由 2017 年的 12.1%、10.3%升至 2021 年的 27.3%、18

24、.3%，市占率分别提升 15.2 pcts、8.0 pcts，从表观数据来看，IPG 在中国光纤激光器市场失 去的份额基本由锐科、创鑫等国产厂商所替代。国产替代的趋势仍在进行中，根据 OFweek 分析，2021Q4 锐科 激光在中国市场份额首次超过 IPG 跃居首位。锐科激光董事长闫大鹏预计公司 2022 年将保持国内市占率第一的 地位。2.3.2 超快激光器市场八成份额仍被国外企业占有超快激光器领域国内企业起步较晚，国外厂商德国通快等占主要地位。由于光纤激光器应用最为广泛，国 内激光器企业以光纤激光器厂商为主，国内超快激光器起步较晚，因此从事超快激光器的企业数量不多，主要 有德龙激光、华日

25、激光、国神光电、英诺激光等，国外企业主要有德国通快、美国相干、美国光谱物理等。根 据 OFweek 介绍，全球超快激光器市场约 80%份额被国外企业占有，而中国超快激光市场规模正以远高于全球 水平的增速成长，国产替代空间十分广阔，未来随着国内厂商技术逐步突破，参考光纤激光器行业经验，国内 厂商市场份额有望逐步提高。国产超快激光器产品性能正逐步接近世界领先水平。根据德龙激光招股书中所披露信息，对比德龙激光、 华日激光、国神光电、英诺激光以及几家主要国外厂商的产品性能指标后，不难看出在超快激光器领域，德国 通快产品性能指标最为领先，主要系其采取了独特的技术路线。在紫外皮秒激光器以及红外、绿光飞秒激

26、光器 方面，德龙激光产品性能指标略逊于美国光谱物理，与美国相干公司相当；在红外、绿光皮秒激光器方面，德 龙激光和英诺激光产品性能指标仅次于德国通快，部分指标优于其他国外厂商；在紫外飞秒激光器方面，德龙 激光已量产最大输出功率为 10W 的激光器。三、上游元器件壁垒高，国产替代空间足3.1 上游元器件介绍激光上游元器件主要是构成激光器的材料和光学器件，包括激光芯片、晶体材料、有源光纤等。此外大部 分激光设备均是自动化设备，因此运动控制系统是大部分设备必不可少的组成部分，也可被纳入激光上游分类 中。3.1.1 激光芯片半导体激光芯片是采用半导体芯片制造工艺，以电激励源方式，以半导体材料为增益介质，

27、将注入电流的 电能激发，从而实现谐振放大选模输出激光，实现电光转换。其增益介质与衬底主要为掺杂-族化合物的半 导体材料，如 GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）等。 半导体激光芯片根据谐振腔制造工艺不同分为边发射激光芯片（EEL：Edge Emitting Lasers）和面发射激 光芯片（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）两种。边发射激光芯片是在芯片的两侧镀光学膜形 成谐振腔，沿平行于衬底表面发射激光，而面发射激光芯片是在芯片的上下两面镀光学膜形成谐振腔，由于光 学谐振腔与衬底垂直，能够实现垂直于芯片表面发射激光。面发射激光芯片有低阈值

28、电流、稳定单波长工作、 可高频调制、容易二维集成、没有腔面阈值损伤、制造成本低等优点，但输出功率及电光转换效率较边发射激 光芯片低。常见的边发射激光芯片相关产品有单管芯片、光纤耦合模块、巴条芯片、阵列模块等。单管芯片只有一个 发光单元，巴条芯片是由多个发光单元并成直线排列的激光二极管芯片，巴条芯片经过钝化、解膜后，可解理 为单个发光单元的单管芯片，单管和巴条芯片主要用于工业泵浦、科学研究、激光装备等。光纤耦合模块通常 是由单管芯片经过光学整形合束耦合封装而成，主要用于光纤激光器、固体激光器泵浦源等；阵列模块通常是 由巴条芯片集成封装而成，主要用于固体激光器泵浦源等。VCSEL 芯片相比 EEL

29、 芯片结构更为复杂，工艺难度更高。典型的 VCSEL 结构自上而下分别是：电流注 入所使用的欧姆接触、P 型的顶部分布布拉格发射镜（DBR），多量子阱有源区、N 型的底部分布布拉格发射镜 以及最底部的 N 型基质。顶部与底部的 DBR 构成激光谐振腔，长度为数微米，与激光波长在同一数量级。工 作时载流子被注入有源区的量子阱中，产生辐射跃迁，经过谐振腔的选模，在垂直于衬底的方向上输出圆形的 激光光束。相比于 EEL 的结构，VCSEL 显然更为复杂，工艺难度也更高。其工艺高难度主要体现在 VCSEL 谐 振腔短（仅几微米长），导致其单程增益长度也极短，因此就要求制作的分布布拉格反射镜（DBR）材

30、料质量必 须良好，还要求 DBR 的发射率极高（一般要求 99%以上），目前如何获得高质量的 DBR 是 VCSEL 制作过程最 主要的难点。VCSEL 最初被广泛应用于光通信领域，目前最主要应用市场是消费电子（占比达七成），未来在汽车市场 （激光雷达、DMS 等）有望获得新的增长。VCSEL 最初主要应用于光通信领域，2017 年苹果公司在 iPhone X 中取消标志性的 Touch ID，转而采用创新的 Face ID，该技术实现了 3D 传感功能，实现该功能的核心器件便是 VCSEL，自此 VCSEL 开始大规模应用于消费电子领域，随后安卓市场也纷纷将 VCSEL 应用于其产品的深度传

31、 感系统。根据 Yole 数据，2021 年 VCSEL 应用市场中，消费电子占比 63.9%，为主要应用领域，其次为电信及 基础设施领域，占比 34.5%，汽车和移动设备领域占比仅为 0.1%，但 Yole 预测到 2026 年汽车和移动设备领域 占比将提升至 2.4%。VCSEL 在汽车市场的应用包括激光雷达、DMS、AR HUD、激光大灯等，在车载激光雷 达市场中 VCSEL 激光雷达将凭借探测距离、人眼安全等方面优势逐步替代 EEL 激光雷达，在 DMS（驾驶员监 测系统）中 VCSEL 在隐私保护、受环境光照干扰等方面显著优于 LED，因此未来随着汽车智能化不断推进， VCSEL 在

32、汽车市场的应用将迎来新的增长。3.1.2 晶体材料晶体是指原子、离子或分子在空间做长程有序的排列，并形成一定的点阵结构的物质。采用人工方法合成 的晶体，称为人工晶体。人工晶体按照功能不同，可粗略分为激光晶体、非线性光学晶体、闪烁晶体、电光晶 体、压电晶体等。光电子晶体材料是指对光电信息具有发射、接收、传输、处理、显示和存储等功能的晶体材 料，包括激光晶体、非线性光学晶体、闪烁晶体等。作为激光上游元器件的晶体材料主要是激光晶体和非线性 光学晶体，且二者主要应用于固体激光器。激光晶体是指受激辐射后能发射出激光的人工晶体。1）激光晶体由基质晶体和激活离子两部分组成。基质 晶体主要是为激活离子（发光中

33、心）提供一个合适的晶格场；激活离子是掺杂在基质晶体中的镧系等化学元素 离子。固体激光器发射激光和激光的波长主要取决于掺入晶体中的少量激活离子及其与基质晶体的相互作用。 常见的激活离子有稀土、过渡金属离子，常见的基质晶体有氧化物、氟化物和含氧酸盐化合物晶体。2）应用广 泛的激光晶体主要有：掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）、掺钕矾酸钇（Nd:YVO4）和掺钛蓝宝石（Ti:Al2O3）晶体， 三者合称为“三大基础激光晶体”。3）掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）具有光学均匀性好、机械性能好、物化稳定 性高、热导性好等优点，是迄今为止最为重要，也是最成熟、最主流的激光晶体材料，中、高功率激光应用主 要是 N

34、d:YAG；与 Nd:YAG 相比，掺钕矾酸钇（Nd:YVO4）对泵浦光有较高的吸收系数和更大的受激发射截面。 激光二极管泵浦的 Nd:YVO4晶体与 LBO、BBO、KTP 等非线性光学晶体配合使用，能够达到较好的倍频转换 效率。低功率小型化激光应用主要是 Nd:YVO4；掺钛蓝宝石（Ti:Al2O3）非常有利于实现飞秒激光脉冲，而且具有受激发射截面大、激光损伤阈值高等优点，因此可调谐、超快激光应用主要是Ti:Al2O3。非线性光学晶体具有非线性光学效应。当入射激光在非线性光学晶体中传播时，会激发非线性极化波，并 通过倍频、差频、和频及光参量放大效应等方式产生新波段的光波，即输出激光的波长与

35、入射激光的波长不同， 从而产生新波长的激光。在激光器中激光晶体受激辐射发出的基频激光具有特定的波长，波长取决于激光晶体 的种类，而非线性光学晶体可将基频激光变频为多种其他波长激光，从而丰富了激光器的波长范围，使得激光 器的应用可以拓展到更多领域，因此非线性光学晶体元器件是激光器（主要是固体激光器）产生非基频激光的 核心元器件。 目前应用最广泛的非线性光学晶体有 LBO、BBO、KTP 等。据相关论文介绍，1）上世纪 60 年代到 80 年 代，非线性光学晶体的探索主要由美国主导，当时有两大类非线性光学晶体，Bell 实验室发现的具有（NbO6） 氧八面体配位的铌酸盐晶体的代表 LiNbO3和由

36、杜邦公司发现的磷酸盐晶体的代表 KTiOPO4（简称 KTP）。2） 80 年代，我国陈创天院士研究组率先在硼酸盐中发现了一系列以 -BaB2O4（简称 BBO）和 LiB3O5（简称 LBO） 为代表的性能优异的非线性光学晶体，解决了近红外激光向可见、近紫外波段的倍频转换。BBO 和 LBO 也被 誉为“中国牌”晶体，目前实现了商业化的晶体只有 KTP、BBO 和 LBO 等。3）目前经过实验证明是深紫外非 线性光学晶体的只有两种，KBBF 和 RBBF，二者都可以通过直接倍频实现深紫外激光输出，KBBF 晶体的综合 性能好于 RBBF。3.1.3 有源光纤光纤是光导纤维的简称，由折射率较高

37、的高纯度玻璃纤芯内层和折射率较低的玻璃包层组成。1）最初，光 纤主要用来导光，纤芯中没有掺杂稀土元素，被称为无源光纤。随着研究深入和需求提高，开始在纤芯中掺杂 稀土元素等激活离子，并通过泵浦使光纤发光，使无源光纤被“激活”，成为掺杂有源光纤。一般在有源光纤中 掺入一种或多种稀土元素，如钕（Nd）、镱（Yb）、铒（Er）、铥（Tm）、钬（Ho）、镝（Dy）、镨（Pr）等。有 源光纤作为增益介质，是光纤激光器中重要的组成部分，不同掺杂物的有源光纤输出激光波段不同。2）掺稀土 元素的光纤通常为双包层光纤，此种光纤结构由外包层、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

38、小于纤芯的折射率，从而构成双层的波导结构。掺杂双包层光纤在光纤激光器中 的作用主要是将泵浦光功率转换为激光的工作介质及与其他器件共同构成激光谐振腔。其工作原理是：将泵浦 光通过侧向或端面耦合注入光纤，由于外包层折射率远低于光纤的内包层，所以内包层可以传输多模泵浦光。 内包层的横截面尺寸大于纤芯，对于所产生的激光波长，内包层与掺稀土离子的纤芯构成了完善的单模光波导， 同时它又与外包层构成了传输泵浦光功率的多模光波导。这样可以将大功率多模泵浦光耦合进入内包层，多模 泵浦光沿光纤传输的过程中多次穿过纤芯被吸收，由于纤芯中稀土离子被激发，从而产生较大功率信号激光输 出。3）据相关论文介绍，双包层光纤激

39、光器近些年发展迅速，输出功率已经达到千瓦量级。但是，单根光纤的 激光输出功率不可能无限提高，它还受到自身各方面因素的限制，如热效应、非线性效应，以及光纤端面损伤 等。稀土掺杂双包层光子晶体光纤突破了传统单模光纤的结构限制，为进一步提高光纤激光器的光束质量及输出功率提供了硬件条件。3.1.4 运动控制系统运动控制系统的发展起源于工业革命后对蒸汽机、电动机等各类机械设备进行精确控制的想法，随着制造 业的不断发展，需要同时控制多台电机，进行互动式精确加工。早期运动控制主要用于数控机床领域，对应的 数控装置被称为数控系统。如今运动控制系统已广泛应用于装备制造、印刷、包装、纺织、半导体制造、自动 化生产

40、线等。作为各类设备的大脑，运动控制系统决定了设备的精度、效率，是不同品牌设备形成差异化的重 要环节。 运动控制系统是自动化机械的核心。其功能是根据控制程序，经计算机处理后，实时控制执行机构的动作。 运动控制系统一般由控制器、功率放大器与变换装置、电动机、负载，及相关的传感器等部件组成。控制器下 达指令后，驱动器将其转化为能够运行电机的电流，驱动电机旋转，带动工作机械运行，同时，电机上的传感 器经过信号处理将电机的实时信息反馈给控制器，控制器进行实时调整，从而保证整个系统的稳定运转。早期的运动系统由数字逻辑电路构成，随着微电子和计算机技术的发展，现在已经被计算机软件取代。相 比于硬件电路，计算机

41、软件具有巨大的灵活性，可以实现逻辑电路难以表达的复杂控制算法，从而使运动控制 系统能有了质的飞跃。另外，运动控制系统可在使用过程中通过升级来提升性能或改变用途，从而使自动化机 械具有真正的柔性。目前运动控制系统由硬件和软件两部分集成，硬件即工业控制板卡，包括主控单元、信号 处理等部分，软件是控制算法。对于柏楚电子这样的运动控制系统提供商，其硬件部分一般从市场上采购各类 通用元器件，然后组装加工得到；基于硬件的架构，将软件算法集成其中，形成最终的运动控制器。硬件的质 量、结构及算法的优劣共同决定了运动控制系统的精度、效率。在硬件的差异化不明显的情况下，软件算法是 运动控制系统的关键。3.2 市场

42、规模2021 年全球激光芯片市场规模约为 3.7 亿美元，中国市场约为 2.6 亿美元。参考长光华芯招股书估计方法， 假设全球激光器约 60%比例需要使用激光芯片，激光器厂商毛利率约 30%，泵浦源占激光器 BOM 成本约 50%， 泵浦源毛利率约 15%，激光芯片占泵浦源 BOM 成本约 10%，综合计算激光芯片市场规模约为激光器市场规模 的 2%，结合章节 2.2 中激光器市场规模，可以粗略估算出激光芯片市场规模。经估算，2021 年全球激光芯片市 场规模约为 3.7 亿美元，而 2021 年中国市场激光芯片市场规模约为 2.6 亿美元。VCSEL 是激光芯片未来最有前景的方向，汽车应用领

43、域未来增长性最佳。根据 Yole 数据，2021 年全球 VCSEL 市场规模为 12 亿美元，预计到 2026 年全球 VCSEL 市场规模将增长至 24 亿美元，CAGR 达 13.6%。细 分应用领域来看，消费电子领域 VCSEL 市场规模将从 2021 年的约 8 亿美元增长至 2026 年的 17 亿美元，CAGR 为 16.4%，高于整个 VCSEL 行业增速；通信基础设施、工业领域不是未来 VCSEL 主要的增长方向，因此 CAGR 仅为 5.6%、6.3%；医疗、国防领域尽管增速较快，但整体规模较小，预计 2026 年占整个 VCSEL 行业比例均不 超过 0.5%；汽车领域是

44、未来 VCSEL 应用增速最快的方向，预计市场规模将从 2021 年的 110 万美元增至 2026 年的 5700 万美元，CAGR 高达 121.9%。晶体材料市场规模变化趋势和超快激光器保持一致。晶体材料主要应用为固体激光器尤其是超快激光器的 增益介质。由于晶体材料制作工艺技术壁垒高，因此长期以来相关生产商毛利率处于稳定较高水平，因此全球 晶体材料市场规模增长趋势整体与全球超快激光器市场规模趋势基本一致，以晶体材料领域的龙头企业福晶科 技的年度收入与全球超快激光器市场规模对比，二者基本保持同样变化趋势。细分领域来看，非线性光学晶体 由于在超快激光器（尤其是紫外激光器）中的重要地位，市场需

45、求增长更快。根据武汉文献情报中心数据，近 年来全世界非线性光学晶体的销售额每年超过 4 亿美元，2020 年全球用于全固态紫外激光器中的非线性光学晶 体（仅 LBO、BBO）市场空间约 2.9 亿元。未来随着高功率、短脉冲、短波长、高重复频率的紫外（深紫外） 激光器在精细加工领域渗透率不断提高，晶体材料的市场规模将保持增长趋势。运动控制系统方面，根据 GlobeNewswire 网站公布的2020-2030 全球运动控制市场份额、趋势、分析和预 测报告，2019 年全球运动控制系统市场总规模达到 187 亿美元，预计 2021 年至 2025 年，全球运动控制市场 规模将从 206 亿美元增至

46、 251 亿美元，复合增长率为 5%。3.3 竞争格局3.3.1 激光芯片仍以国外企业为主，国内厂商正逐步追赶从整个半导体激光行业来看，美国和欧洲起步较早，技术上具备领先优势，半导体激光芯片及器件厂商仍 以国外企业为主，主要是贰陆集团（-）、朗美通（Lumentum）、IPG、恩耐（nLight）等国际巨头，上述企 业同时从事下游的广泛业务，综合实力相对较强。国内厂商主要有长光华芯、武汉锐晶、华光光电、纵慧芯光 等。激光芯片领域以国外厂商为主导，国内厂商在全球市场份额仍较小。国外企业恩耐、IPG 自产芯片仅用于 生产自身下游产品，不对外销售；武汉锐晶是锐科激光关联方，其生产的激光芯片主要向锐科

47、激光销售。根据 长光华芯招股书估算，2020 年长光华芯在全球市场的占有率为 3.88%，在国内市场的占有率为 13.41%，武汉锐 晶在全球市场的占有率为 2.15%，在国内市场的占有率为 7.43%。长光华芯在国内市场占有率第一，居于国内领 先位置。但放眼全球，一方面，与国际企业贰陆集团、朗美通在全球范围内相比，长光华芯等国内厂商收入体 量较小，反应其综合实力仍有较大空间提升，但从长光华芯收入占主要三家企业合计营收比例来看，长光华芯 在全球市场占有率逐年稳步提高；另一方面，在中国市场上与国际企业对比，长光华芯等国内厂商开始逐步占 有一定市场份额，在国产替代的大背景下未来有望优先在国内市场实

48、现较大增长。从产品性能指标来看，长光华芯的高功率单管芯片性能指标已经接近世界领先企业水平。915nm、976nm （975nm）波长的单管芯片主要用于下游光纤激光器的制造，而光纤激光器占工业激光器市场规模的比重较高， 因此，这两种波长的单管芯片下游需求较大，是半导体激光行业的主流产品。激光芯片在一定的条宽范围下， 功率及电光转换效率越高，波长种类越多，反映出技术水平越高，下游应用越广泛。根据长光华芯招股书提供 数据，其高功率单管芯片在 190-230m 的条宽范围内，公司目前高功率单管芯片输出功率可达到 30W，电光转 换效率可达 63%，技术处于世界领先水平。VCSEL 工艺更为复杂，未来应

49、用前景也更大，市场方面目前仍是国外企业占主导，国内厂商纵慧芯光、 长光华芯等已经掌握 VCSEL 制造工艺技术并实现量产，正逐步追赶国际先进水平。Yole 将 VCSEL 市场描述 为“由两个巨头领导”，这是因为根据 Yole 数据，2019 年朗美通和贰陆集团两家公司占据全球市场 68%的市场 份额，而到 2020 年这一数值增长到 80%，其中贰陆集团 2019 年和 2020 年收入增速分别为 92%、62%，均高于 朗美通（2019 年 35%，2020 年 19%），贰陆集团收入迅速赶上朗美通得益于苹果和 Finisar 之前强大的供应关系， 而 Finisar 于 2019 年被贰陆集团收购。另据 Semiconductor 数据，2019 年全球 VCSEL 市场中，美国厂商合计占 比 72%，居于绝对主导地位，欧洲厂商合计占比 20%，国产厂商仅纵慧芯光上榜，市占率为 2%