银河国际棋牌游戏:锐科激光深度报告,激光器

2019-12-09 00:09栏目:电子商务
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光纤激光器替代优势明显,光纤激光器渗透率提升空间广阔

银河国际棋牌游戏 1

光纤激光器具有输出激光光束质量好、电光效率高、可加工材料范围广、综合运行成本低等技术性能和经济性能等方面的优势。相比二氧化碳激光器,光纤激光器光转化效率更高,使用成本较低,根据OFweek激光网的测算可得,光纤激光器的使用成本为23.4元/小时,二氧化碳激光器的使用成本为39.1元/小时。相比YAG激光器,光纤激光器功率高、效率快且免调节、免维护,或将逐渐替代YAG激光器。光纤激光器渗透率提升空间广阔。

激光的应用领域十分广阔,以激光器的下游领域划分,主要包括材料加工与光刻、通信与光存储、科研与军事、医疗与美容等等。在这些领域,激光相比传统方式具备材料多元、质量好、经济效益高等优势。国内厂商已掌握大部分激光器元器件制造技术,但光纤介质、高功率激光芯片和光纤光栅核心元器件仍依赖进口,除此之外的核心元器件技术已被掌握,而国外激光器龙头IPG光子、Coherent依靠全产业链整合实现产品低成本和性能高稳定性。锐科激光为国内第一家专注于光纤激光器研发、生产和销售的厂商,主营产品包括脉冲光纤激光器、连续光纤激光器两大系列,具备从材料、器件到整机的垂直整合能力,为国内光纤激光器绝对龙头,国内市占率在15%左右,全球市占率7%左右,仅次于IPG,规模已跻身全球光纤激光器产业第二位。

光纤激光器分类方法多样,细分复杂

锐科激光

光纤激光器分类方法中较为常见的是按工作方式分类、按波段范围分类及按介质掺杂稀土元素分类。按照工作方式可以分为锁模、调Q、准连续及连续光纤激光器;按照波段范围分类,光纤激光器主要发射近红外光,但为了实现不同应用需要,光纤激光器通过倍频可以输出可见光;通过在光纤中掺氟化物可以输出中红外光;按照介质掺杂稀土元素分类可以分为掺镱、掺铥、掺铒光纤激光器,不同的稀土元素工作的波长范围不同,但都处于近红外范围内。

激光加工加速渗透,光纤激光器应用前景广阔

光纤激光器应用领域广阔,细分种类可满足特殊需求

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。

光纤激光器广泛运用于工业加工、光纤通信、娱乐、军事武器、航空航天等领域。根据功率大小、工作方式、波段范围及掺杂稀土元素细分后的光纤激光器种类逾100种,可以满足细分行业应用的特定需求。例如中红外波段对于人眼来说是安全的,且在水中能够被很强的吸收,是理想的医用激光光源;掺铒光纤由于其合适的波长可以打开光纤通信窗口,在光纤通信领域应用较广;绿光激光由于其可见性,在娱乐与投影等方面必不可少。

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%。

CO2激光器使用成本高,YAG激光器能量转换效率低,或被部分替代

3)中国步入光加工,市场潜力巨大。伴随着制造业升级和全球制造业向中国转移,我国激光产业发展迅猛,2015年,中国取代欧洲成为激光器最大的消费市场。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,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%,经过2016年增速放缓后,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。

CO2激光器光转化效率低,使用成本高,根据OFweek激光网的测算数据显示,光纤激光器的使用成本为23.4元/小时,二氧化碳激光器的使用成本为39.1元/小时;CO2在厚度小于6mm板材切割方面速度逊于光纤激光器。在切割方面,YAG激光器加工功率低、能耗比大且切割速度慢;在焊接方面,与YAG激光器相比,准连续光纤激光器可以在微秒至毫秒的脉宽下提供数焦耳到数十焦耳的脉冲能量,相当于同时具备YAG激光器的钻孔和焊接优势以及CO2激光器的切割能力,或将逐步替代YAG激光器。

国内光纤激光器龙头,高功率国产化可期。光纤激光器属于技术工艺驱动型产业,高功率光纤激光器的核心技术主要体现在高损伤阈值光学器件制造和工艺,以及非线性效应的抑制、热管理、高功率下模式稳定性控制。锐科激光,具备从材料、器件到整机的垂直整合能力,国内光纤激光器厂商中唯一可对标IPG,在各核心器件均有布局,泵浦封装、合束器/耦合器、传输光缆已实现较高比例的自产,增益光纤和光纤光栅自给比例有望逐步提升。目前,低功率光纤激光器国产化率超过95%;中功率光纤激光器,国产与进口分庭抗礼;高功率光纤激光器,国产化率仅为10%,其中锐科激光占国产高功率光纤激光器的67.2%。从我们草根调研的情况看,目前锐科激光在3300w及以下与IPG的差距不大,已获得到市场认可;2017年6000w实现批量出货,2018年6000w以重点客户为爆点实现放量;万瓦目前处于小批量状态,高功率突破可期。

半导体激光器现阶段技术存在局限,替代光纤激光器尚需时日

快速崛起的光纤激光器龙头

研究表明直接半导体激光器具有较强的材料加工应用潜力,相比光纤激光器和二氧化碳激光器具有更好的切割速度和切割质量。但半导体激光器最大的缺点在于其在高激光功率时光束质量低下,因此在未来数年,半导体激光器不太可能使整个材料加工领域发生革命性变化或取代其它光源。

1.1锐科激光:国内光纤激光器龙头

风险提示:宏观经济增速不及预期,原材料价格上涨风险,高功率激光器研发不及预期。

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。

公司产品线丰富,主营产品包括脉冲光纤激光器、连续光纤激光器两大系列,除此之外,直接半导体激光器于2016 年研制成功并对外销售。脉冲光纤激光器包括10-350W的调Q脉冲光纤激光器和10-100W的窄脉宽脉冲光纤激光器;连续光纤激光器包括10-12000W的连续光纤激光器和75-600W的准连续光纤激光器;直接半导体激光器涵盖80-4000W。

光纤激光器广泛用于打标、切割、焊接、增材制造和激光医疗等多种工业、医疗和科研领域,其中,调Q脉冲光纤激光器主要用于打标/雕刻、表面清洗、金属薄片打孔/切割等领域,窄脉宽光纤激光器主要用于氧化铝打黑加工、薄膜切割、太阳能/光伏精密划线等领域,低功率连续光纤激光器广泛应用于激光指示等领域,中高功率连续光纤激光器主要用于切割、焊接、表面处理、增材制造等领域,准连续光纤激光器主要用于精密切割、焊接等。

锐科激光各产品系统

1.1.1脱胎于华工激光,背靠航天科工集团

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。

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。

锐科激光发展历程

1.1.2连续光纤激光器为主,向中高功率升级

公司早期以脉冲光纤激光器为切入点,主要面向打标市场。随着领军技术人才李成博士、卢昆忠博士等的引入,收购增益光纤厂商睿芯光纤,公司在泵浦封装、增益光纤、光纤光栅、合束器/耦合器、传输光缆等上游核心材料及器件上不断取得突破,中高功率连续光纤激光器进展势如破竹。2009年以来,公司陆续推出国内第一台100W、1000W、4000W、6000W和10000W连续光纤激光器,并形成批量化生产,连续光纤激光器业务近三年复合翻番增长,占比逐步提升,下游应用结构逐渐向切割和焊接等领域拓展。

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。

从连续光纤激光器的出货功率段看:1)2015年以500w、750w为主,1200w批量出货;2)2016年500w、750w高速增长,1000-1500w放量,2200w、3300w实现出货;3)2017年出货功率段集中在750-1500w,2200w、3300w放量,6000w批量出货。总体而言,公司连续光纤激光器出货功率段逐年升级。

2017年锐科激光产品结构

2014-2017年锐科激光产品结构

2014-2017年锐科激光产品结构

2015-2017年锐科激光产品结构

1.1.3混合所有制典范,保证高效运营

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。

锐科激光股权结构

1.1.4客户结构仍以第二梯队激光设备商为主

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。

2015-2017锐科激光五大客户营收及占比

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

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。

2014-2017年锐科激光营业收入

2014-2017年锐科激光归母利润

2014-2017年锐科激光毛利率和净利润率

2014-2017年锐科激光归母净利润

1.2上游垂直整合、高功率国产替代,光纤激光器龙头崛起

锐科激光作为国内第一家专注于光纤激光器研发、生产和销售的厂商,具备从材料、器件到整机的垂直整合能力,为国内光纤激光器绝对龙头。2007-2010年,锐科主要开展光纤激光器工程样机的研制和小规模生产,随着产品可靠性的提高和泵浦封装、合束器/耦合器、传输光缆、增益光纤等核心材料及器件的突破,逐步走向规模生产道路,中高功率连续光纤激光器进展势如破竹,并在近年取得跨越式发展,营收从2014年的2.32亿激增至2017年的9.52亿,国内市占率在15%左右,全球市占率7%左右,仅次于IPG,规模已跻身全球光纤激光器产业第二位。

锐科激光的成长逻辑。

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。

2)高功率连续光纤激光器国产替代:2017年功率的集中在750-1500w,2200w、3300w放量,6000w批量出货,从我们调研的情况看,目前锐科3300w及以下与IPG差距不大,2018年6000w以重点客户为爆点实现放量,万瓦目前处于小批量状态,高功率国产化可期。

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。

锐科激光成长路径

二、激光加工加速渗透,光纤激光器应用前景广阔

2.1光纤激光器原理

2.1.1激光:最快的刀、最准的尺、最亮的光

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。

2.1.2激光器原理及分类

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。

激光器基本结构示意图

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。

按增益介质的不同,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。

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。

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。

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。

4)光纤激光器使用掺杂稀土元素的光纤作为增益介质,光纤激光器属于固体激光器的一种,具有光电转换效率高、结构简单、光束质量好等特点,已成为激光技术发展主流方向和激光产业应用主力军。固体激光器和光纤激光器由光泵浦,现在的泵浦源基本上都是半导体激光器芯片。

根据运转方式的不同,可将激光器分为连续激光器和脉冲激光器。

1)连续激光器可以在较长一段时间内连续输出激光,工作稳定、热效应高;特别适合于金属材料的连续高速切割、焊接,以及表面热处理、激光熔敷、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、特种钢材等高强度、高硬度材料的加工速度和加工质量越来越高。

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。

激光器运转方式和应用

按输出波长,可分为红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等。不同物质可吸收的光波长范围不同,例如金属对近红外光吸收率较高,所以近红外激光器比较适用于金属材料加工。

按功率,将100W以下功率的激光器称为低功率激光器,100到1000W的激光器称为中功率激光器,1000W以上功率激光器称为高功率激光器,随着光纤激光器功率的整体提升,也有咨询机构将1500w或2000w作为中、高功率的分界点。

按表性的激光器分类

2.1.3光纤激光器原理

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。

1964年第一台光纤激光器问世,直到1988年双包层光纤的提出,才使得光纤激光器开始从小功率向大功率突破,上世纪90年代,包层泵浦技术的发展,使光纤激光器的功率水平提高了4-5个数量级,为光纤激光器发展史上的又一里程碑,进入21世纪后,高功率双包层光纤的发展突飞猛进,最高输出功率记录在短时间内接连被打破,目前单纤输出功率已达3000W。双包层掺杂光纤利用包层泵浦技术,使输出功率获得极大提高,是光纤激光器最核心的器件之一。

连续光纤激光器构成原理图

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。

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。

连续光纤激光器构成原理图

单模组VS多模组。

1)由于单个半导体激光器芯片的功率在15w左右,通常将多个LD芯片封装在一个泵浦管中,形成一个数十瓦或百瓦的泵浦模块,再将多个泵浦模块耦合到一根双包层光纤中,以提高激光输出功率,如此构成一个单模组光纤激光器。

2)目前单模组光纤激光器仍存在功率瓶颈,多数厂商最高批量出货功率在1.5kw-2kw,为了达到更高的输出功率,需将多个单模组光纤激光器耦合到高功率合束器,从单根传输光缆输出,如此构成一个多模组光纤激光器。单模光纤激光器中只稳定运行基模模式激光,激光能量呈高斯分布,发散角小,纤芯细,同功率下能量密度更高。而多模光纤激光器中,除基模激光外,还存在有其他高阶模式的激光,同功率下比单模光纤激光器的能量密度低、光束发散、光斑较大。

单模组光纤激光器

1.5kw单模和多模激光器对比

多模组光纤激光器

光纤激光器的优势:

1)高转换效率,光纤作为波导介质,其耦合效率高,双包层光纤的独特结构使得泵浦光不必耦合到单模纤芯内,而是耦合到内包层中,极大地提高了光光转换效率。

2)小巧紧凑、柔性加工,由于光纤可弯曲,具有良好的柔性,光纤激光器可以设计得相当小巧紧凑;激光高效地耦合到传输光缆中,光纤传输损耗低,利于柔性加工。

3)优良的光束质量,光纤芯径非常小,在纤芯内限制了极少数的激光模式,易形成高功率密度,具有低激光阈值、输出光束质量好和线宽窄等特点。

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。

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。

2.2激光加工加速渗透,光纤激光器应用前景广阔

2.2.1材料加工跃居激光器第一大行业应用

近年来,全球激光器市场规模稳健增长,根据美国Laser Markets Research,2017年全球激光器市场规模达到124.3亿美金,同比增长18.16%,近5年复合增速为8.50%。从细分行业应用市场看,主要包括通讯、材料加工、研发与军事运用、医疗美容、各类仪器或传感器等领域。根据Laser Markets Research,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,占全球激光器市场规模的42%,超越通讯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,占全球激光器市场规模的7%;医疗美容相关激光器收入9.20 亿美元,占全球激光器市场规模的7%。

2013-2017年全球激光器行业收入

2017年全球激光器用途分类情况

2.2.2传统加工替代空间大,光加工加速渗透

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。

光热效应的“热加工”:CO2、YAG、光纤等红外激光器,光子能量低,加工过程是以热的形式体现。由于激光的发散角小和单色性好,其功率密度可达到108——1010W/cm2,被照射工件吸收激光能量产生热激发过程,温度急剧上升产生熔融、烧蚀、蒸发等现象,从而实现对工件的切割、焊接、打标、打孔、熔覆、表面热处理等。

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。

热加工vs 冷加工

功率密度对靶材的影响

相比传统的机械加工,激光加工优势显著:

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;

2)非接触性加工,无加工阻力,工件无机械变形,加工速度快;

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;

4)节约能源和材料消耗,热变形小,可以省去二次加工;

5)环保,低噪音、无放射性、无污染排放;

6)易与自动化结合,实现精密加工、复杂结构加工、批量自动化生产。随着激光加工技术不断进步,激光加工不断替代传统机械加工,应用领域正从广度和深度两方面日益拓展,适用于激光加工的材料包括金属及合金、塑料、陶瓷、玻璃、木材、皮革、树脂、橡胶等,广泛应用于打标、切割、焊接、打孔、雕刻、表面处理等工业加工领域的同时,还应用于显示、增材制造等新兴领域。

激光加工应用广泛

激光加工应用

近年来,全球工业激光器市场规模保持较快增长,根据Laser Markets Research,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,年复合增速为14.76%。2015年以来,工业激光器市场增速逐步加快,最近三年增速分别为8.93%、19.36%和26.10%。切割、金属焊接、打标、精密金属精加工为工业激光器主要应用,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%,精密金属加工占8%。

2012-2017年全球工业激光器市场规模

2017年全球工业激光器材料加工用途构成情况

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。

17年金属切削机床、激光设备规模

2011-2017年我国金属切削机床的产量

2.2.3光纤激光器优势显著,持续挤占CO2、YAG等传统激光器市场

激光市场规模稳步增长同时,不同激光器市场也发生明显分化,随着半导体激光器泵浦技术和双包层光纤制作工艺的发展,光纤激光器在输出功率、光束质量和亮度等方面取得巨大进步,效率和可靠性不断提升,价格快速下降,在工业应用领域也表现出强大的市场竞争力,对传统气体激光器和固体激光器市场产生较强冲击,表现出更为强劲的发展势头。

全球工业激光器收入构成

2009-2017年全球光纤激光器占工业激光器的比重

全球光纤激光器市场规模保持快速增长态势,根据Laser MarketsResearch,2017 年全球光纤激光器市场规模为20.39 亿美元,相比2013 年的8.41 亿美元,5年复合增速为24.78%,在工业激光器中的占比从2013 年的33.82%上升至2017 年的47.26%。由于光纤激光器的替代,近年来,CO2激光器的应用市场逐步萎缩。2014年,光纤激光器超越了CO2激光器成为份额最大的激光光源。

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%。

光纤激光器在工业激光器细分市场渗透率

根据Industrial LaserSolutions,光纤激光器在宏观材料加工市场规模增长迅速,从2013 年的5.12 亿美元增加至2017 年的12.68 亿美元,复合增速为25.42%;用于打标的光纤激光器市场规模从2013 年2.01 亿美元增长至2017 年的3.26 亿美元,复合增速为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,复合增速为36.69%。

2012-2017年光纤激光器细分市场构成

2013-2017年全球光纤激光器细分市场复核增速

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。

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。

光纤激光器优势显著

2.3中国步入光加工,市场潜力巨大

激光器最早商用始于欧美发达国家,欧美在较长时期内为全球激光器主要市场。我国激光产业市场起步较晚,伴随着制造业升级和全球制造业向中国转移,我国激光产业发展迅猛。2015 年,中国取代欧洲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%。中国在全球激光加工市场占比逐步提升,以全球光纤激光器龙头IPG 为例,其中国区收入占比由2013年的29.65%提升至2017年的44.10%。

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。

三、国内光纤激光器龙头,高功率国产化可期

3.1下游激光设备商分散,激光器厂商引领行业发展

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。

激光器是激光设备的“发动机”,其成本在激光设备总成本中占40%以上,在高功率激光设备成本中甚至占50%,对于下游客户而言,激光器品牌的重要性远高于激光装备品牌,激光器的稳定性、可靠性、光束质量决定着加工效率和效果。激光加工产业是以技术为先导的,整个激光加工产业的发展是由激光器厂商引领。激光器技术壁垒高,有竞争力的厂商寥寥无几,形成了相对集中的竞争格局。在激光加工产业中,激光器厂商掌握了较强的话语权和定价权,形成了围绕激光器厂商的竞争阵营。

3.2光纤激光器产业链,呈金字塔型

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,其中光学系统最为核心,占整个激光器物料成本的6成左右;2017年,光学材料、电学材料、机械件在锐科激光原材料采购成本中分别占65.43%、16.21%、15.13%。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,从连续光纤激光器总的成本结构看,根据锐科激光招股说明书,泵浦源、有源光纤、无源光纤器件分别占成本的25.53%、19.55%、12.61%,电子元器件、电源、壳体分别占成本的3.13%、9.91%、4.87%,其余为人力成本及设备摊销等,占24.40%。

光纤激光器属于技术工艺驱动型产业。光纤激光器是在微米级纤芯内产生和传输数千瓦、数万瓦的激光,需极高的工艺控制水平,光纤激光器属于技术工艺驱动型产业,高功率光纤激光器的核心技术主要体现在高损伤阈值光学器件制造和工艺,以及非线性效应的抑制、热管理、高功率下模式稳定性控制,这些都是保障激光器整机可靠性和健壮性的关键。

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。

3.3竞争优势:垂直整合+领军人才+立足本土+制造优势+工程师红利

3.3.1锐科激光已跻身全球光纤激光器厂商第二大

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。

*nLight营收包括芯片、增益光纤销售

3.3.2对标IPG,具备从材料、器件到整机的垂直整合能力

光纤激光器属于技术工艺驱动型产业,高功率光纤激光器的核心技术主要体现在高损伤阈值光学器件制造和工艺,核心器件的自给有助于提高产品生产的一致性和性能稳定性,缩短新产品研发周期、交付周期和客户响应,提供更大的价格调整空间,有力地提升产品市场竞争力。

从国际主要光纤激光器玩家来看,基本上走的高度垂直整合的模式,IPG从大功率半导体芯片到泵浦封装、增益光纤、光纤光栅、合束器/耦合器、传输光缆皆可自产,nLight、Rofin、SPI上游主要核心器件也都是自产。目前锐科激光具备从材料、器件到整机的垂直整合能力,国内光纤激光器厂商中唯一可对标IPG,在各核心器件均有布局,泵浦封装、合束器/耦合器、传输光缆已实现较高比例的自产,增益光纤和光纤光栅自给比例有望逐步提升。目前锐科激光,1500w单模组光纤激光器已批量出货,2000w单模组光纤激光器小批量中,6000w多模组光纤激光器实现批量,10kw多模组光纤激光器已在客户验证,已推出12kw多模组光纤激光器,随着公司上游核心器件能力的不断提升,更高功率突破可期。

3.3.3领军人才,研发力量雄厚

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。

公司是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,先后承担了国家科技支撑计划、国家863 计划、国家重大专项、国家重点研发计划等有关光纤激光器的研发项目,2016 年牵头制定了我国第一部光纤激光器行业标准JB/T12632-2016《光纤激光器》,建有国内唯一的光纤激光器技术国家地方联合工程研究中心,多项产品荣获科技部“国家重点新产品”称号,目前拥有专利108 项,其中境内发明专利24 项,境内实用新型专利68 项,境内外观设计专利15 项,境外专利1 项,软件著作权7 项。

3.3.4立足本土,服务响应快速

公司在全国市场内已建立较为完善的市场营销体系,以武汉为销售总部,在武汉、深圳、苏州、北京分别设立销售办事处,分别承担华中、华南、华东及华北区域的客户开发、客户关系维护、客户技术支持和售后服务等工作,同时设立专门的技术支持和售后服务组,对公司服务工作进行统一管理,加快服务响应速度、提高服务的质量,对售后备机、样机及零部件实行有效管理。公司立足本土,承诺“8小时内提成解决方案”、“48小时内指定工程师现场维修”、“24个月整机免费保修”,服务响应迅速,售后服务优于IPG等国际厂商。

3.3.5成本优势:垂直整合+制造优势+工程师红利

成本是决定光纤激光器厂商竞争力的关键因素,而成本当中大项主要是营业成本和研发费用、一般行政费用、销售费用。

1)营业成本:垂直整合+制造优势。营业成本主要是光纤激光器的生产成本,包括物料成本、人工成本和设备折旧等,其中物料成本占近8成,剩下两成中,一半左右为泵浦封装、耦合/合束、熔接的人工成本,其余为设备折旧等费用。相对于国内厂商创鑫、杰普特,锐科激光具备从材料、器件到整机的垂直整合能力,在核心器件成本上有优势。由于光纤激光器的器件及整机的生产制造自动化水平低,高度依赖人工,相对于IPG、nLight等海外厂商,锐科激光具有一定的人工成本优势,当前IPG主要生产基地分布在德国、俄罗斯、美国,nLight主要生产基地分布在芬兰、美国、加拿大、上海。

2)研发费用、一般行政费用和销售费用:研发优势,工程师红利。从研发费用+一般行政费用+销售费用看,锐科激光器较IPG、nLight、创鑫、杰普特低4-5个百分点以上,大部分差异源自研发费用+行政费用,核心在于国内的工程师红利带来的研发优势。

3.4锐科激光领衔,高功率光纤激光器国产化可期

2007年以前,尽管国内高校、研究所在光纤激光器领域开展了大量研究工作,国内光纤激光器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。1)2007年锐科激光成立,并于2008年推出10W脉冲全光纤激光器、2009年推出100W连续光纤激光器,拉开了我国光纤激光器产业发展帷幕。2)2009年,创鑫激光开始切入光纤激光器领域,2010年实现光纤激光器产业化,杰普特也开始加码光纤激光器研发,2010 年“10W、20W 光纤激光器”研制成功,并于当年开始量产。3)国内光纤激光器产业发展迅速,目前已有超过十家光纤激光器企业,涌现出联品激光、中科光汇、上海飞博、山东海富、东方锐镭等新锐力量。

目前,国内低功率光纤激光器市场已被国内企业占据,2017 年国内企业市场份额高达95%以上;中功率光纤激光器市场,国内企业与国外企业市场分庭抗礼;高功率光纤激光器市场,国产产品已实现部分销售,国产化率仅10%。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。

3.4.1脉冲光纤激光器,已是中国厂商天下

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%。

3.4.2中功率光纤激光器,国产与进口分庭抗礼

锐科激光500w-1000w连续光纤激光器已于2011年研制成功并开始量产,创鑫激光500w连续光纤激光器2013年推出市场,杰普特800w、1200w连续光纤激光器2016 年试制成功,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,中功率光纤激光器市场逐步突破,目前国产厂商已在中功率光纤激光器斩获半壁江山。根据中国激光产业发展报告2017年,我国中功率光纤激光器销售量为21500台,同比增长65.38%,国产化率达到60.47%。

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

高功率光纤激光器技术门槛较高,核心器件和工艺不能有短板,目前高功率光纤激光器市场仍以IPG等欧美龙头厂商为主导,2017 年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。2012年,锐科激光4000w连续光纤激光器通过科技成功鉴定,2013年攻克万瓦激光器核心技术,研制成功中国首台万瓦连续光纤激光器,锐科激光领衔,国产厂商逐步实现高功率光纤激光器产业化。根据中国激光产业发展报告2017年,我国高功率光纤激光器销售量为4700台,同比增长46.88%,国产化率仅为10.64%。其中锐科激光,2017年高功率出货336台,同比增长10倍以上,国内市占率达到7.15%,占国产高功率光纤激光器的比例达到67.2%。从我们草根调研的情况看,目前锐科激光在3300w及以下与IPG的差距不大,已获得到市场认可;2017年6000w实现批量出货,2018年6000w以重点客户为爆点实现放量;万瓦目前处于小批量状态,高功率突破可期。

3.4.4锐科激光:第一梯队客户获突破,打破IPG垄断格局

锐科激光业务结构按应用分,7成左右为切割,1-2成为打标,焊接不足1成。2017年,国内激光切割设备商有200余家,能形成稳定出货的不超过40家,从我们草根调研国内头部激光切割设备商的情况看,锐科激光出货量占2-3成,IPG出货量占4-5成,锐科激光出货占比上升明显,越来越多的设备商在引入锐科;从客户梯次看,锐科激光客户仍以国内第二、第三梯队激光切割设备商为主,随着锐科激光中高功率产品稳定性、可靠性被市场认可,第一梯队客户被IPG垄断的格局,逐步开始松动。

3.5募投项目

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。

四、盈利预测及评级

4.1盈利预测

分项收入预测:

1)连续光纤激光器:2017年,连续光纤激光器市场需求火爆,公司中功率光纤激光器高速增长,2200w、3300w高功率光纤激光器放量,6000w光纤激光器实现量产;2018年,市场需求仍保持较高增速,公司产品结构向高功率迁移,主功率段由2017年的500-1500w提升到2018年的750-2200w,6000w光纤激光器放量;2019-2020年,产品结构进一步向高功率迁移;预计随着产品结构升级,公司连续光纤激光器均价稳步提升。

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。

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。

4)其他主营业务:该项业务主要包括准连续光纤激光器、直接半导体激光器、特种激光器机组件等,公司准连续光纤激光器和直接半导体激光器于2016年实现销售,预计未来几年将保持高速增长。

毛利率预测:1)随着公司上游核心器件自给率提升及产品结构向高功率升级,连续光纤激光器毛利率逐步提升;2)脉冲光纤激光器、技术开发服务、其他主营业务毛利率保持平稳。

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。

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。

4.2投资建议及评级

我们预测锐科激光2018-2020年的净利润分别为4.99、7.37、10.53亿元,对应PE分别为48、33、23倍,竞争壁垒高,长期成长确定性强,可以给一定的估值溢价,2020-2021年看400亿市值以上,给予“增持”评级,建议重点关注!

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