一、行業總述
激光加工技術與傳統加工技術相比具有很多優點——能量集中，應用范圍廣泛，安全可靠，精確細致。我國的激光產業與《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》提出的戰略性新興產業五大領域密切相關。目前，國內激光器行業處于快速成長階段，龍頭企業已實現大功率光纖激光器技術突破，有望較快占領國內市場并實現出口，拉動相關行業公司快速成長。
1.1 行業定義
1.1.1 激光器的原理
激光器由泵浦源、具有亞穩態能級的增益介質、諧振腔等元件組成。以半導體泵浦光纖激光器為例，激光器產生激光的具體過程可以詳細拆分為以下五步：
第一步，導入泵浦光，半導體激光器作為激光器泵浦源發射具有一定線寬的泵浦光，通過合束器后進入光纖；
圖：IPG光纖激光器泵浦源—單芯結半導體模塊
資料來源：IPG宣傳資料，九鼎投資
第二步，給增益介質賦能，增益光纖吸收特定波長的泵浦光從而使得粒子向上發生能級躍遷達到亞穩態；
第三步，自發輻射形成光子，亞穩定狀態粒子自發向下躍遷釋放能量，產生方向和相位各異的光子；
第四步，受激輻射實現光放大，沿軸線運動的光子可以在反射鏡（光柵）之間來回往復運動（非沿軸線光子很快逸出），而光子每次遇到增益介質的高能（亞穩態）粒子時都能令增益介質粒子釋放能量產生同質光子，從而達到光放大效果；
第五步，激光輸出，達到一定要求后實現連續或者脈沖形式的激光輸出。
圖：激光器的構造原理，IPG光纖激光器結構圖
資料來源：《激光器原理與技術》，IPG宣傳資料，九鼎投資
1.1.2 激光器的分類
激光器較為常見的分類有四種，即按增益介質、輸出功率、工作方式和脈沖寬度區分。
?按照增益介質：激光器的增益介質包括氣體、液體和固體，特定增益介質決定了激光波長、輸出功率和應用領域。氣體中具有代表性的是CO2氣體激光器，固體中具有代表性的包括紅寶石激光器、半導體激光器、光纖激光器和YAG 激光器等。
?按照輸出功率：可以分為小功率（0-100W）、中功率（100-1KW）、高功率（1KW 以上）；但有時也將100-1.5KW 范圍內定義為中功率。不同功率的激光器適應的應用場景不同。
?按工作方式：可分為連續激光器和脈沖激光器。連續激光器可以在較長一段時間內連續輸出，工作穩定、熱效應高。脈沖激光器以脈沖形式輸出，主要特點是峰值功率高、熱效應小；根據脈沖時間長度，脈沖激光器可進一步分為毫秒、微秒、納秒、皮秒和飛秒，一般而言，脈沖時間越短，單一脈沖能量越高、脈沖寬度越窄、加工精度越高。
?按輸出波長：可分為紅外激光器、可見光激光器、紫外激光器等。不同結構的物質可吸收的光波長范圍不同，例如金屬對近紅外光吸收率較高。
表：主要類型激光器比較
資料來源：根據通快產品手冊翻譯整理，九鼎投資
1.1.3 光纖激光器用于材料加工優勢突出
光纖激光器推動激光加工方式朝廣度和深度發展。在傳統領域，大功率激光器促進激光設備對航空航天、交通運輸等高端裝備在切割、焊接、打標等環節的滲透。在新興領域，光纖激光器拓寬了激光加工深度，形成增量市場，主要包括在消費電子、光伏、鋰電池、半導體等領域的精密加工。
從技術角度來看，光纖激光器相比其他激光器優勢突出。光纖激光器用于加工的技術優勢體現在：1）光束質量好，容易達到大功率。2）光纖表面積大，散熱好。3）光路完全封閉，穩定性較好，壽命長且維護較少。4）體積小，可實現柔性傳輸。5）波長在700nm-2000nm的范圍內，在材料加工領域具有適用性更廣。
從成本角度來看，光纖激光器性價比優勢極高，以CO2激光器作為對比：
1）光纖激光器由于光束質量高，材料吸收率高，所以加工速度更快，以薄板切割為例，光纖激光切割速度可達到同等功率CO2激光切割的2-3倍；
2）光纖激光器的電光轉化率高達30%以上，工作耗電低，而CO2激光的光路完全依靠反射鏡傳播，光路衰減快，能量損失較多，電光轉化率在10%以下；
3）光纖激光器結構簡單穩定，外光路免維護，平均無故障時間超過10萬小時，基本無耗材。CO2激光系統結構復雜，反射鏡和諧振腔需定期維護，渦輪機軸承更換費用昂貴，維護成本高。
取市場上的千瓦級工業激光器的主要性能參數對比，相對于其他激光器，光纖激光器具有輸出激光光束質量好、能量密度高、電光效率高、使用方便、可加工材料范圍廣、綜合運行成本低等技術性能和經濟性能等方面的優勢，因此廣泛應用于雕刻/打標、切割/鉆孔、熔覆/焊接、表面處理、快速成形等材料加工和光通信等領域，被譽為“第三代激光”，具有廣闊的應用前景。
表：千瓦級工業激光器的主要性能參數對比
資料來源：創鑫激光招股說明書，九鼎投資
1.2 產業鏈示意圖
激光涉及光、電、通信、機械等多學科，產業鏈自上而下包括光學材料及光電元器件、激光器、激光加工設備和下游激光應用領域。
圖：激光產業鏈示意圖
資料來源：行業公開資料整理，九鼎投資
1.3 主要法律法規和產業政策
二、需求側分析
2.1 市場需求持續增長的驅動因素
2.1.1 激光加工時代到來，替代傳統加工方式
根據Optech Consulting統計，2017年全球用于材料加工的激光設備規模達到169億美元，同比大幅增加30%。此外，材料加工激光設備出現替代傳統機床的趨勢，2009-2017年激光設備的CAGR高達15.9%，而同期機床裝備的CAGR僅5.4%。激光加工在傳統領域的滲透替代才剛開始。近年來，國內工業激光加工應用市場不斷擴大，在紡織、服裝等輕工業，汽車制造業、航空、動力、能源等重工業不斷滲透，獲得了較快的發展。
圖：近十年全球材料加工用激光設備增加速度高于機床增加速度
資料來源：Optech Consulting，九鼎投資
細分到具體應用行業，2018年全球工業激光器市場規模47.2億美元，同比增速9.5%，占整體激光器需求比例36.2%，較2017年的34.7%提升了1.5個百分點，成為激光器最大的應用市場。
資料來源：公開數據，九鼎投資
通過數據對比可以發現，從2016年開始，工業激光器市場增量已經超過整體激光器需求增量，即工業激光器領漲整體激光器需求量。根據Industrial Laser Solutions數據，工業激光器中，2017年光纖激光器市場份額提升至47.3%，占據主導地位。2010年，光纖激光器僅占工業激光器銷售額的11%，也由此可以看出，工業激光器近幾年的高速增長得益于光纖激光器的飛速發展。光纖激光器市場增速亦逐年提升，且增速超過工業激光器的增速。
2.1.2 中國將成為全球激光器需求的增長極
中國將成為全球需求的增長極，將有利于培育具有國際競爭力的本土企業。根據Optech Consulting數據，2013年中國大功率材料加工設備占比全球比重僅為18%，2016年上升到23%，且預計到2025年，中國大功率材料加工設備占全球比重將達到35%。在激光行業的高速發展過程中，中國本土將有望誕生具有國際競爭力的公司，國內激光器行業龍頭更進一步。
受益于國產替代加速，中國激光設備市場規模增速將高于全球平均水平。預計到2023年，中國激光加工設備市場規模將達到約850億元人民幣，對應2017-2023年的CAGR為15.6%，高于全球的12.7%。
圖：全球激光加工各主要應用下游 2017-2023年仍將保持高速增長
資料來源：Optech Consulting，Strategies Unlimited，九鼎投資
2.2 市場總體規模及增速
2018年全球激光器市場規模增長至130.6億美元，比2017年的124.3億美元增長5.1％，全球制造業市場經過平穩發展后逐漸恢復增長,假設2019-2025年以年均15%速度增長。隨著制造業設備的升級，預計2025年全球激光器市場規模將達到約350億美元。
2018年中國激光器的銷售額增長至59.2億美元，比2017年的銷售額47.5億美元增長45.3％，預計2025年中國激光器銷售額將達到243億美元，年化復合增速約22%。屆時，中國激光器市場份額占比全球也將進一步提升，預計2025年占比將達70%。
資料來源：公開數據，九鼎投資
預計2019-2025年全球光纖激光器市場規模將增至66億美元，年化復合增長率達17%。亞太地區已經并將繼續成為光纖激光器發展的主要助推力，市場規模將進一步擴大。中國光纖激光器市場在2018年市場規模為9.5億美元，占全球光纖市場規模的42.8%，預計中國光纖激光器市場在2025年的市場規模將增至51億美元，占比全球光纖市場規模約77%，7年復合增長率達27%，此強勁增長主要由于宏觀經濟發展、制造業產業升級（活躍的制造業市場、工業激光設備主力市場），以及有利的國家政策支持。
資料來源：公開數據，九鼎投資
圖：2017年，中國VS全球光纖激光器市場競爭格局
資料來源：《2018中國激光產業發展報告》，九鼎投資
三、供給側分析
3.1 競爭格局和產業鏈主要參與者
表：全球主要的激光器供應商
資料來源：各公司官網，九鼎投資
3.2 激光器國產化趨勢加速
受益于國內激光器企業的技術突破，國內小于100W的低功率光纖激光器已基本實現了國產化，100W-1500W之間的光纖激光器國產化率也超過了60%，但功率大于1500W的光纖激光器國產化還比較低，仍大量依賴進口。
表：我國光纖激光器國產化率
資料來源：《2018年激光產業發展報告》，九鼎投資
近五年來，隨著光纖激光器的國產化，低功率激光器價格已有較大幅度下降，高功率產品的價格仍比較高昂。雖然從數量上來說，高功率僅占4.3%，但其銷售額占全部光纖激光器的20%左右。隨著國內光纖激光器企業的技術突破，國內高功率光纖激光器大概率將復制中低功率激光器進口替代的過程，國產化率提升，價格下降，是未來幾年國內光纖激光器的重要趨勢。
3.3 主要元器件是國產化關鍵
泵浦源封裝、合束器、隔離器、中功率光纖光柵、激光傳輸組件等激光器零部件已經基本國產化，泵浦源芯片、增益光纖、光柵等是國產化的關鍵。
3.3.1 泵浦源（成本占比30%）
泵浦源是激光器的核心器件之一，占光纖激光器成本比例高達30%。高功率光纖激光器需要高功率泵浦源的支撐，而半導體激光器具有體積小、重量輕、電光轉換效率高、性能穩定、可靠性高和壽命長等優點，因此半導體激光器（LD泵浦源）是光纖激光器的主流泵浦源。
激光芯片是半導體泵浦源的核心部件，其功率高低和性能穩定性直接影響輸出激光性能。但激光芯片是國內激光產業鏈十分薄弱的環節，長期以來我國高功率激光芯片幾乎全部依賴進口，進口價格相對較高并且存在技術封鎖，國內激光器廠商開始偏好于采購國產激光芯片。隨著市場對高功率光纖激光器需求的提升，激光芯片的國產替代為大勢所趨。
表：全球主要高功率半導體激光芯片廠商
資料來源：各公司官網，九鼎投資
國內多數LD泵浦源企業只具備芯片封裝技術，國內極少數具備激光芯片設計制造能力的企業盈利能力更值得期待。美國Lumentum、德國歐司朗和長光華芯等公司具備高功率激光芯片制造能力且可以外銷，而美國IPG，德國通快可以制造該類芯片但不對外銷售。國內廠商大多都是外采芯片做封裝，實際上不具備自產芯片的能力，國內極少數可以自主設計制造高功率激光芯片的廠商將迎來難得機遇。目前，長光華芯可以生產12W、13W、15W、60W、100W、300W的6種高功率激光芯片，nLight可以生產15-400W的69種二極管激光器。
3.3.2 特種光纖（成本占比20%）
特種光纖區別于普通光纖的核心特征是在特定波長上使用，摻鐿光纖用于光纖激光器和光纖放大器的增益介質，無源光纖用于耦合器，尾纖等其它光器件。
大雙包層摻鐿光纖及雙包層無源光纖特種光纖長期被國外壟斷，限制了國產高功率激光器的進展。如美國Nufern公司等。國內以睿芯光纖、長飛光纖等為代表實現國產化的重要突破。睿芯光纖的特種光纖產品分為雙包層大模場有源光纖（摻鐿鉺等稀有金屬）、雙包層大模場無源光纖、橢圓包層型保偏光纖、熊貓型保偏光纖等。長飛雙包層20/400摻鐿光纖在中功率的轉換效率達到67%，1400W輸出的功率波動極其穩定。
國內光纖激光器龍頭企業銳科激光，通過收購睿芯光纖向上游整合，銳科激光2017年-2018年H1核心供應商采購額如下表所示。
表：銳科激光核心供應商信息（單位：萬元）
資料來源：銳科激光公開資料，九鼎投資
表：全球主要光纖企業核心器件自產情況
資料來源：IPG、銳科、創鑫、Coherent年報，九鼎投資
四、行業發展趨勢及特征
1、激光器位于激光產業鏈中樞位置，中國已成為全球規模最大、增速最快的激光器市場
激光器是終端激光設備的核心光學部件，位于全產業鏈的中樞位置。同時，從成本角度來看，激光器成本約占設備總成本的30%-50%，為激光設備價值量最高的核心部件。
預計到2025年，中國激光器市場規模將達到約240億美元，年化復合增速將保持在22%左右。屆時，中國激光器市場占全球比例或達70%。
2、工業領域成為激光器需求增長的核心貢獻者，高功率的趨勢愈發明顯，高光束質量、對能量分布和邊緣處理具備較強設計能力的公司的產品將獲得更優異競爭力
2016年開始，工業激光器市場增量已經超過整體激光器需求增量，成為市場角逐的焦點。2018年，全球工業激光器市場規模已超47億美元，占整體激光器需求的約36%，成為激光器最大的應用市場。
隨著下游對激光性能的要求日益提高，各廠家都在向附加值更高的高功率激光器發展。以占全球光纖激光器份額60%的IPG為例，2018年報披露數據，公司2000W以上的高功率激光器銷售額達到9.1億美元，占總銷售額的62.3%。
資料來源：公開數據，九鼎投資
圖：不同行業應用對光束質量和功率的需求
資料來源：創鑫激光，九鼎投資
3、國產超快激光器崛起，細分賽道大有可為
激光器按照其光脈沖的單位分類，普通脈沖激光的單位是微秒（μs，10的負6次方秒），千瓦（KW）。調Q激光的單位是納秒（ns，10的負9次方秒），兆瓦（MW）。而鎖模激光的單位是皮秒（ps，10的負12次方秒）和飛秒（fs，10的負15次方秒），千兆瓦。
超快激光器可以將光能集中，在皮秒至飛秒的時間間隔內，將光聚焦到小空間上，并可以在在不破壞底層區域的情況下，從材料表面快速、清潔地燒蝕材料。超快激光器在超快過程中最重要的一環技術是：脈沖壓縮技術。脈沖壓縮技術是用于克服材料折射率隨波長變化引起的色散效應。
超快激光因其具有超快速度和超高峰值等特性，可將能量快速、準確的集中在作用區域，實現對幾乎所有材料的非熱熔性冷處理，因此獲得傳統激光無法比擬的高精度、低損傷等效果。超快激光憑其獨特優勢在材料微細加工、納米結構制作、光子器件加工、高密件存儲、醫療生物工程等方面得到廣泛應用。
根據相關數據，2017年全球超快激光器市場規模約5.7億美元，2020年有望超過15億美元，CAGR高達39%，高于光纖激光器的行業增速。且由于技術壁壘高，超快激光器可能較當前普通光纖激光器毛利率水平更高。
4、激光器國產化程度不斷加強，核心元器件是關鍵
隨著國內光纖激光器企業的技術突破，國內小于100W的低功率光纖激光器已基本實現了國產化，100W-1500W之間的光纖激光器國產化率也超過了60%，但功率大于1500W的光纖激光器國產化還比較低為10%左右，仍大量依賴進口。隨著國內激光器廠商的研發實力提升，中美貿易戰背景下核心器件及技術的國產化需求日益迫切，國內高功率光纖激光器大概率將復制中低功率激光器進口替代的過程，國產激光器取代進口趨勢日益顯著。
從激光器成本結構中可以看到，特種光纖、泵浦源和光學器件是激光器成本的主要構成，占比超過80%，其中泵浦源和特種光纖又是光纖激光器原材料成本的核心來源，一般的，特種光纖占比約20%、泵浦源占比約30%。泵浦源封裝、合束器、隔離器、中功率光纖光柵、激光傳輸組件等激光器零部件已經基本國產化，泵浦源芯片、增益光纖、高功率光纖光柵等是國產化的關鍵。
泵浦源為激光器中最重要的核心器件之一。半導體激光器是光纖激光器的主流泵浦源，半導體激光芯片是制造半導體激光器的核心部件，其功率高低和性能穩定性直接影響輸出激光性能。激光芯片是國內激光產業鏈十分薄弱的環節，在高功率半導體激光器芯片方面早日打破長期依賴進口“有器無芯”的局面是當務之急。自主研發掌握泵浦源、光纖耦合器等核心器件技術并規模化生產，實現自產自制，方可有效降低成本，顯著提升毛利率、凈利率水平，享受產業鏈垂直整合的紅利。
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