2018年中国光纤激光器行业发展现状及发展趋势分析

2019-07-15 10:32:17 SH 4

2018年中国光纤激光器行业发展现状及发展趋势分析

2018年中国光纤激光器行业发展现状及发展趋势分析【图】

1、激光产业发展的概况

(1)激光与激光技术

 激光是通过人工方式,用光或放电等强能量激发特定的物质而产生的光,1960 年,人类成功地制造出世界上第一台激光器,产生了激光。由于激光具有完全不同于普通光的性质,很快被广泛应用于各个领域,并深刻地影响了科学、技术、经济和社会的发展及变革。激光与原子能、半导体、计算机共同被视为 20 世纪的现代四项重大发明,对人类社会进步和发展发挥着重要作用; 激光技术也被美国科学家总结为影响全球未来发展的 18 项重大关键技术之一。激光技术可广泛应用于民用领域和军用领域, 激光技术及产业已成为多国政府重点扶持并由科研院所和企业共同主导的国家战略新兴产业。在民用领域中, 激光技术是现代高端制造的基础性技术之一,在国民经济中有显著的放大效应。欧美主要国家在机械、汽车、航空、钢铁、造船、电子等大型制造产业中,基本完成了激光加工工艺对传统加工工艺的替代更新,进入“光加工”时代。在军事领域中,随着激光技术的发展,激光定向能武器成为各国重点支持和发展的新概念武器,而高功率、高光束质量光纤激光器已成为欧美军事大国的定向能新概念武器的首选光源之一。整体而言,激光技术进步正推动着世界“光加工”工业革命和“光对抗”军事变革,发展前景广阔。

(2)激光应用领域

 激光正从广度和深度两方面日益拓展应用领域, 逐步渗透到国民经济的多个领域。在装备制造领域,高功率激光设备在航空、航天、汽车、高铁、船舶等高端装备制造等领域的切割、焊接、测量、打标等环节发挥着越来越重要的作用。例如:在现代汽车制造中,汽车、高铁车身焊接均已全部实现激光焊接;激光加工是飞机机头(驾驶舱)机身切割成型和焊接的最佳解决方案。在精细微加工方面,超短脉冲激光在光伏、液晶显示、半导体、 LED、 OLED 等领域的钻孔、刻线、划槽、表面纹理化、表面改性、修整、清洗等环节发挥了不可替代的作用。此外,激光与生物学、医学治疗及诊断、制药科学相结合,激光抗癌和物理治疗、激光手术、激光诊断、激光眼科治疗、激光美容已普遍进入医学各分诊疗科室,激光基因定序仪的发明使基因测序检测的时间过程加快了数百万倍。总之,激光与《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》提出的战略性新兴产业七大领域密切相关,自身也是战略性新兴产业高端装备制造业的重要内容。美国当年 GDP 的 50%(约 7.50 万亿美元)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,具体见下表:

主要激光光源设备

相应拓展领域

对应的 GDP(万亿美元

半导体激光器、光纤激光器

信息、计算机、远程商务、光纤通讯

4

二氧化碳激光器、光纤激光器、飞秒超快激光器、准分子激光器

交通运输、工业制造业

1

全固态激光器、准分子激光器、飞秒超快激光器

生物技术、人类健康、医学诊断治疗

2.5

3激光器分类

 按照增益介质的不同,激光器主要可以分为液体激光器、气体激光器、半导体激光器和固体激光器等。光纤激光器属于新一代固体激光器的一种,具有光电转换效率高、结构简单、光束质量好等特点,目前已成为激光技术发展主流方向和激光产业应用主力军,代表性的激光器分类如下表:

增益介质

泵浦方法

振荡波长

震荡运转

液体

染料

紫外光~红外光

连续、脉冲

气体

氦氖

放电

可见光~红外光

连续

惰性气体离子氦镉

紫外光~可见光

连续

准分子

紫外光

脉冲

CO2

远红外光

连续、脉冲

化学

化学反应

红外光

连续

半导体

化合物半导体

电流

紫外光~红外光

连续、脉冲

固体

钕;钇铝石榴石镱;钇铝石榴石

红外光

连续、脉冲

钛蓝宝石

紫外光~红外光

光纤

铒、镱、铥

红外光

连续、脉冲

2、光纤激光器的基本情况

1)光纤激光器的概念

 光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器, 属于固体激光器的一种,但因增益介质形状特殊且具有典型的技术和产业优势,行业中一般将其与其他固体激光器分开进行研究。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、信号/泵浦合束器及激光传输光缆等光学器件材料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。同时,光纤激光器根据功率大小的不同采用不同的冷却方式, 通常情况下, 功率低于 200W 时采用风冷结构, 功率大于 200W时采用循环水制冷,以保证激光器在工业环境条件下可靠稳定运行。

典型光纤激光器光学系统

光纤光栅

2)光纤激光器的分类

光纤激光器种类较多,根据其激射机理、器件结构和输出激光特性的不同可有多种不同的分类方式。根据目前光纤激光器技术的发展情况,其分类方式和相应的激光器类型主要有以下几种:

1)按激光的工作模式分类

按激光的工作模式可主要分为脉冲光纤激光器和连续光纤激光器。

2)按输出激光功率大小分类

按输出激光功率大小可分为: ① 低功率光纤激光器:平均输出功率小于100W 的光纤激光器; ② 中功率光纤激光器:平均输出功率在 100W 1,000W的光纤激光器; ③ 高功率光纤激光器:平均输出功率大于或等于 1,000W 的光纤激光器。

3、光纤激光器行业市场概况

1)全球激光器行业发展现状

1)全球激光器行业市场规模和用途

  欧美等发达国家最先开始使用激光器,并在较长时间内占据较大的市场份额。随着全球制造业向发展中国家转移,亚太地区激光行业市场份额迅速增长。发展中国家在制造业升级过程中,逐步使用激光设备代替传统设备,对激光器的需求旺盛,系目前全球激光行业市场最主要的驱动力之一。2013-2017 年,全球激光器行业收入规模持续增长,从 2013年的 89.70 亿美元增加至 2017 年的 124.30 亿美元,年复合增长率为 8.50%。随着大功率激光器技术突破和增材制造技术的成熟, 预计未来激光器行业将持续快速增长。 2013-2017 年,全球激光器行业收入如下图所示:

2013-2017 年全球激光器行业收入

光纤光栅

 激光器用途十分广泛,目前主要应用于通讯、材料加工、研发与军事运用、医疗美容等领域。2017 年, 全球激光器行业应用领域中材料加工相关的激光器收入 51.66 亿美元,占全球激光器收入的 42%,超越通讯领域成为第一大激光器应用领域;研发与军事运用相关激光器收入 9.22 亿美元,占全球激光器收入的 7%;医疗美容相关激光器收入 9.20 亿美元,占全球激光器的 7%。具体情况如下:

2017 年全球激光器用途分类情况

光纤光栅

2)工业激光器市场规模和用途

 近年来,全球工业激光器市场规模保持较快增长,全球工业激光器收入从 2013 年的 24.87亿美元增加至 2017 年的 43.14 亿美元, 年复合增长率为 14.76%2015 年以来,工业激光器市场规模增速逐步加快,最近三年的市场规模增长率分别为 8.93%19.36%26.10%2013-2017 年,全球工业激光器市场规模如下图所示:

2013-2017 年全球工业激光器市场规模与结构 单位:亿美元

光纤光栅

  以工作物质分类,工业激光器可以分为光纤激光器、 CO2 激光器、固体激光器和其他激光器,其中,光纤激光器在材料加工领域占比最高。 2017 年,全球光纤激光器销售额为 20.39 亿美元,占工业激光器销售额的 47.26%。光纤激光器市场规模的快速增长系工业激光器市场规模增长的主要原因。在材料加工方面,工业激光器主要用于切割、打标、金属精加工、金属焊接等,其中,切割和打标为最重要的两个应用领域。 2017 年,全球工业激光器在材料加工方面的应用中,切割应用占 35%,焊接应用占 16%,打标应用占15%。具体情况详见下图:

2017 年全球工业激光器材料加工用途构成情况

光纤光栅

2)光纤激光器发展状况

1)光纤激光器在工业激光器中的市场规模

 与其他激光器相比,光纤激光器拥有结构简单、转换效率高、光束质量好、维护成本低、散热性能好等优点,光纤激光器已成为金属切割、焊接和标记等传统工业制造领域的主流光源,并广泛应用于医疗美容、航空航天和军事应用等领域。全球光纤激光器收入从 2013 年的 8.41 亿美元, 增加至 2017年的 20.39 亿美元,年复合增长率为 24.78%,保持快速增长态势。 2013-2017 年,光纤激光器市场规模如下图:

2013-2017 年全球光纤激光器市场规模 单位:亿美元

光纤光栅

 同时,光纤激光器在工业激光器中的市场份额保持逐年上升,从 2013 年的33.82%增加至 2017 年的 47.26%, 成为市场份额最大的工业激光器。2013-2017年,光纤激光器市场份额如下图:

2013-2017 年全球光纤激光器占工业激光器比重

光纤光栅

2)光纤激光器的市场状况

 自光纤激光器问世以来, 高功率光纤激光器成为激光领域最为活跃的研究方向之一。随着新型泵浦技术的采用和大功率半导体激光器制造技术和工艺的进一步发展成熟,光纤激光器得到了飞速发展。过去 10 年,光纤激光器在输出功率、光束质量和亮度等方面取得了巨大进步。光纤激光器效率和可靠性更高,通过开发更多的新工艺和加工方法, 将推动光纤激光器在高端工业制造领域的进一步突破。光纤激光器的用途可以为打标、微材料加工、宏观材料加工三大类。其中,微材料加工包括了除打标以外,所有输出功率小于 1,000W 的激光器应用; 宏观材料加工包括了所有输出功率大于等于 1,000W 的激光器应用,主要为金属切割和焊接。近年来,光纤激光器市场规模保持增长,其中,用于宏观材料加工的激光器市场规模增长迅速,从 2013 年的 5.12 亿美元增加至 2017 年的 12.68 亿美元,年复合增长率为 25.42%;用于打标的光纤激光器市场规模从 2013 2.01 亿美元增长至 2017 年的 3.26 亿美元,年复合增长率为 12.85%;用于微材料加工的光纤激光器市场规模从 2013年的 1.27 亿美元增加至 2017 年的 4.44 亿美元,年复合增长率为 36.69%2013-2017 年,光纤激光器用途分类如下图所示:

2013-2017 年全球光纤激光器用途分类 单位:亿美元

光纤光栅

3)中国激光产业发展状况

1)中国为全球激光器最大的消费市场

 中国激光产业市场起步较晚,但随着中国装备制造业的迅猛发展,近年来,中国激光产业获得了飞速的发展。中国是活跃的制造业市场及工业激光设备的主要市场,受宏观经济发展、制造业产业升级、国家政策支持等因素影响,中国工业激光产业成为受高度关注的产业之一,市场发展迅速。 2015 年,中国取代欧洲,首次成为激光器最大的消费市场,市场规模增长至 28 亿美元左右,约占全球市场规模的 29%

2)对激光器市场需求量大

中国激光器市场规模大、增速快。面对日益增长的激光器市场需求,国内激光器生产企业纷纷加大研发和生产力度,但由于国产产能不足以及产品品质差异,国内企业从欧美进口激光器的数量不断增加。

3)国内光纤激光器行业发展迅速

 2007 年之前,尽管国内高校、研究所等单位在光纤激光器领域开展了大量的研究工作并取得了诸多成就,但国内光纤激光器的产业化和产品化仍然是空白,几乎所有工业光纤激光器全部依赖进口。 2007 年以来,在国家产业政策支持和激光器企业的研发投入下,国内光纤激光器产业发展迅速,目前已出现超过十家光纤激光器企业。随着国内光纤激光器企业综合实力的增强,国产光纤激光器功率和性能逐步提高,目前产业化光纤激光器功率已能达到万瓦级别。2016 年,中国低功率光纤激光器市场已被国内企业占据,国内企业市场份额高达 85%;中功率光纤激光器市场,国内企业与国外企业市场份额相当; 高功率光纤激光器市场, 国产产品已实现部分销售。国产光纤激光器逐步实现由依赖进口向自研、替代进口到出口的转变。

4)国内光纤激光器市场竞争格局

 目前,我国光纤激光器行业处于快速成长阶段,普通低功率光纤激光器技术门槛较低,国产低功率光纤激光器的市场占有率超过 85%。高功率光纤激光器技术门槛较高,企业竞争主要围绕创新能力、研发实力、核心材料和器件产业链整合能力展开,目前高功率光纤激光器市场仍以欧美知名光纤激光器企业为主导,产品价格和附加值相对较高, 2017 IPG 公司高功率光纤激光器销售收入8.67 亿美元,较 2016 年增长 2.89 亿美元,增幅为 49.91%,是其收入增长的主要来源。

4)全球光纤激光器市场规模预测

1) 2018-2021 年全球光纤激光器市场规模

 与其他激光器相比,光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、体积小巧等优势。近年来,随着光纤激光技术的发展和下游行业需求的增加,光纤激光器市场规模保持快速增长。传统制造、汽车生产、重工制造等行业正越来越多的使用光纤激光器;同时,医疗美容、通信和航空航天领域也开始使用光纤激光器。全球光纤激光器的销售额将由 2018 年的 19.81 亿美元增加到 2021 年的 28.85 亿美元,年复合增长率为 13.35%

2018-2021 年全球光纤激光器市场规模      

光纤光栅      

2)用于工业领域的光纤激光器市场规模

 工业领域依然是光纤激光器主要应用领域,包括切割、焊接、雕刻和打标等材料加工。光纤激光器具有光电转换效率高、光束质量好、投资维护成本低等优点,为材料加工的理想激光器。以金属焊接为例,光纤激光器实现了非接触式的焊接过程,减少切割材料损耗,且无需进行后续处理,有助于提高工作效率,并大幅降低制造成本。应用于材料加工的光纤激光器的销售额将由 2018 年的 17.12 亿美元增长至 2021 年的 24.89 亿美元,年复合增长率为 13.29%

2018-2021 年用于材料加工的光纤激光器市场规模

光纤光栅


4、光纤激光器行业发展趋势

 光纤激光器因其高效率及低维护运营成本等优势逐渐受到激光系统集成商的青睐,已经或正在许多应用领域替代 CO2 激光器和其他固体激光器,对激光器市场产生了革命性的改变,推动全球激光市场的不断发展。随着光纤激光器在工业加工领域的应用范围不断扩展,未来几年内,光纤激光器行业将会出现五大发展趋势:

1)向更高功率方向发展

 在船舶、航天等高新技术领域需求和增材制造技术广泛应用的推动下,更高输出功率成为光纤激光器发展的主要研究内容之一, 光纤激光器的输出功率将从百瓦级、千瓦级向万瓦级发展。预计通过采用更高功率的泵浦源、更先进的特种光纤设计和高功率光纤合束技术,光纤激光器输出功率将达到数万瓦级。配置千瓦至数万瓦的大功率光纤激光器的工业装备将会成为高端制造业的主流设备。

2)向高平均功率、高峰值功率的脉冲光纤激光器发展

 在激光的许多应用中,例如激光深雕、激光清洗等需要高平均功率、高峰值功率的脉冲光纤激光器,将高光束质量、小功率的激光器作为种子光源,双包层光纤作为放大器,容易获得高平均功率、高脉冲能量的脉冲激光输出,是目前行业研究的热点和难点。

3)向超短脉冲光纤激光器方向发展

在激光精细加工领域,例如脆性材料打孔、蓝宝石玻璃切割等,需要超快超短脉冲光纤激光器。目前,中高功率的超快超短脉冲光纤激光器是研发的热点。

4)向更高亮度方向发展

高光束质量的高功率光纤激光器在科研和军事领域需求旺盛, 主要用户为科研机构、高等院校和政府部门。目前,国外发达国家把高光束质量的大功率光纤激光器作为战术激光武器的首选光源, 军事等特殊需求将促使光纤激光器在向更高功率发展的同时向更高亮度方向发展, 即在提升输出功率同时保持光纤激光器输出光束质量。

5)向模块化、智能化方向发展

 为了适应市场上对于激光器多种需求,光纤激光器将逐渐走向系列化、组合化、标准化和通用化。利用有限的规格和品种,通过组合和搭配不同模块,缩短新产品开发周期,提高产品的稳定性和可靠性。同时,通过采用先进的通信技术和设计理念,实现光纤激光器的远程诊断、远程维修、远程控制以及数据统计,通过对光纤激光器运行状态的实时监控,提前发现和处理产品潜在的故障,从而为客户提供更好的产品服务。


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