1、激光產生的三要素-泵浦源、工作物質、諧振腔

seline;font-weight:normal;"> 激光，是一種受激輻射產(chan) 生的光。從(cong) 技術原理角度分析，激光產(chan) 生的三個(ge) 必要條件包括：粒子的受激輻射、反轉分布以及穩定增益。

seline;font-weight:normal;"> 激光的理論基礎最初在1916年由愛因斯坦提出，簡單地說包括受激吸收和受激輻射兩(liang) 個(ge) 過程：在受激吸收過程中，物質中處於(yu) 低能級E1的粒子受到能量為(wei) hv=E2-E1的光子照射而吸收能量躍遷至高能級E2；在受激輻射過程中，處於(yu) 高能級E2的粒子，受到能量同樣為(wei) hv=E2-E1的光子激勵，在躍遷至低能級E1的過程中輻射出一個(ge) 與(yu) 入射光子具備完全相同狀態的光子。經過這兩(liang) 個(ge) 過程，入射光子數量獲得成倍增加，光強增大，形成了光放大效應。

seline;font-weight:normal;"> 基於(yu) 受激輻射的特性，在持續有光子射入激勵的情況下，某些物質中的粒子能夠在躍遷至高能級E2之後穩定在次高能級E3，被稱之為(wei) 亞(ya) 穩態。當這些粒子大量堆積於(yu) 亞(ya) 穩態E3並且數量遠超過處於(yu) 低能級E1的時候，就形成了物質中粒子數的反轉分布，使得受激輻射數量遠大於(yu) 吸收數量。

seline;font-weight:normal;"> 粒子形成反轉分布後，在激勵下不斷輻射出的光子通過諧振腔持續獲得增益，並在滿足條件後從(cong) 諧振腔中射出。

seline;font-weight:normal;"> 基於(yu) 這一係列反應過程，入射光子最終形成同方向、同頻率的相幹光束，使激光具備高亮度、高方向性、高單色性、高相幹性的特點。

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seline;font-weight:normal;"> 激光器是激光的發射裝置，基於(yu) 激光的產(chan) 生原理，其核心器件主要包括泵浦源、工作物質和諧振腔三部分。

seline;font-weight:normal;"> 泵浦源（激光產(chan) 生的動力源）：

seline;font-weight:normal;"> 泵浦源在激光器中承擔激勵源的功能，其目的是使工作物質中的粒子處於(yu) 反轉分布的狀態，由於(yu) 受激輻射的光子數目與(yu) 入射光子數目和物質中粒子反轉分布數目成正比，通過泵浦源的持續激勵，工作物質中就能夠輻射出大量特征狀態一致的光子，形成初始的激光。

seline;font-weight:normal;"> 根據激勵方式不同，泵浦源主要可以分為(wei) 電激勵、光激勵、熱激勵和化學激勵，電激勵采用氣體(ti) 放電或電流、電子束注入等方式進行激勵，常見於(yu) 氣體(ti) 激光器、半導體(ti) 激光器中；光激勵采用光源照射激勵，多用於(yu) 固體(ti) 激光器和液體(ti) 激光器；熱激勵和化學激勵則通過熱能和化學反應進行激勵，這兩(liang) 種激勵方式比較少見，應用於(yu) 特定幾種激光器中。

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seline;font-weight:normal;"> 工作物質（受激輻射的主要對象）：

seline;font-weight:normal;"> 如果說泵浦源是激光產(chan) 生的驅動力，那麽(me) 工作物質就是泵浦源的主要鞭策對象，驅使他源源不斷的輻射出光子。由於(yu) 激光的產(chan) 生需要物質中粒子具備反轉分布狀態，所以就要求工作物質存在亞(ya) 穩態能級，自1960年美國科學家梅曼發明世界上第一台激光器至今，已經有多種多樣符合條件的工作物質被探索出來，按形態不同主要可以分為(wei) 固體(ti) 、氣體(ti) 、液體(ti) 和半導體(ti) 。按照使用的工作物質種類，激光器相應的也被分為(wei) 固體(ti) 、氣體(ti) 、液體(ti) 、半導體(ti) 激光器等。

seline;font-weight:normal;"> 諧振腔（激光的放大器）：

seline;font-weight:normal;"> 工作物質通過泵浦源受激輻射出光子後，還需要經過一道“增益”環節來使發射出的激光達到一定閾值，諧振腔就在激光器中承擔增益放大的功能。最基礎的諧振腔結構可以理解為(wei) 平行放在工作物質兩(liang) 邊的兩(liang) 麵不同的反射鏡，一麵反射率為(wei) 100%，一麵則根據所需要的激光閾值部分透射。由於(yu) 光強與(yu) 光子數密度成正比，初始受激輻射產(chan) 生的光子通過在諧振腔中來回振蕩不斷穿過工作物質獲得持續放大，並最終達到符合要求的閾值。

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seline;font-weight:normal;"> 在選用工作物質相同的情況下，諧振腔和泵浦源就成為(wei) 決(jue) 定激光器發射光束的質量、性能的關(guan) 鍵所在，同時也是激光器的技術核心點。除此之外，激光器中還有耦合器、隔離器、調製器等起到調節光束方向、頻率等輔助作用的無源器件，共同組成一個(ge) 完整的激光器裝置。

2、以光纖激光器為首的固體激光器器件占據市場主流

seline;font-weight:normal;"> 在激光產(chan) 業(ye) 鏈中，激光器件屬於(yu) 激光器的上遊零部件，從(cong) 激光器全球市場看，光纖激光器、半導體(ti) 激光器和全固態激光器占據主導地位，其中光纖激光器占全球激光器規模的近40-50%，傳(chuan) 統的CO2激光器由於(yu) 功率和轉化率限製市場份額呈逐年下降趨勢，而液體(ti) 激光器由於(yu) 性能原因在實際應用中更加少見，所以相應的在器件市場中，以光纖激光器為(wei) 首的固體(ti) 激光器用器件占據主流。

seline;font-weight:normal;"> 特種光纖：特種光纖是光纖激光器的關(guan) 鍵原材料，相比於(yu) 普通光纖在摻雜元素、工作波長、結構和光學性能上都有其特殊性。激光器中常用的特種光纖包括YDF（摻鐿光纖）、GDF（無源匹配光纖）和大芯徑傳(chuan) 能光纖，YDF主要用作光纖激光器的工作物質，通過在光纖纖芯中摻雜稀土元素使其實現光放大效應；GDF主要用作光纖合束器、隔離器以及光纖激光器諧振腔—光纖光柵的原材料；大芯徑傳(chuan) 能光纖則用於(yu) 泵浦源、合束器和光纖激光器的輸出端，起到激光傳(chuan) 能的作用。

seline;font-weight:normal;"> 特種光纖的整體(ti) 市場規模較小，2017年全球市場規模約為(wei) 4億(yi) 美元，國內(nei) 約不到8億(yi) 元，美國的Nufern、nLight，德國的萊尼等公司以領先的技術優(you) 勢處於(yu) 龍頭地位，國內(nei) 的主要供應商有長飛光纖、武漢睿芯和烽火科技等，目前在中低功率光纖激光器用特種光纖領域已實現超過50%的國產(chan) 替代，高功率場景仍具有一定技術差距。

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seline;font-weight:normal;"> 除了光纖激光器之外，其他的固體(ti) 激光器主要采用各種不同的激光晶體(ti) 作為(wei) 工作物質。

seline;font-weight:normal;"> 激光晶體(ti) ：激光晶體(ti) 由基質晶體(ti) 和激活離子兩(liang) 部分組成，激活離子是摻雜在基質晶體(ti) 中的化學元素離子，激光晶體(ti) 中利用不同的激光離子可以產(chan) 生不同波長的激光。目前應用較廣泛的激光晶體(ti) 包括LBO、BBO、Nd:YAG和Nd:YLF等。其中，LBO和BBO是中國科學院福建物質結構研究所在20世紀80年代發明並獲得全球範圍內(nei) 的專(zhuan) 利。

seline;font-weight:normal;"> 激光晶體(ti) 的國外供應商有美國的II-VI、VLOC，立陶宛的EKSMA等，國內(nei) 龍頭供應商為(wei) 福晶科技，是全球最大的LBO和BBO晶體(ti) 供應商。

seline;font-weight:normal;"> 泵浦源：光纖激光器的泵浦源主要采用半導體(ti) 激光器，也被稱為(wei) 激光二極管，針對使用YDF作為(wei) 工作物質的光纖激光器，對應泵浦源的輸出波長主要為(wei) 915nm和976nm。

seline;font-weight:normal;"> 915nm半導體(ti) 激光器由於(yu) 技術門檻較低且對工作溫度不敏感已經成為(wei) 中低功率光纖激光器（1500w以下）的主流選擇，而對於(yu) 高功率光纖激光器（1500w以上），976nm半導體(ti) 激光器由於(yu) 高吸收率和光光轉化率成為(wei) 國內(nei) 外企業(ye) 的突破重點。國外主流廠商Dilas、IPG、Lumentum已大規模轉向976nm產(chan) 品，國內(nei) 多數相關(guan) 廠商則隻具備芯片封裝技術，僅(jin) 有長光華芯等少數幾家公司擁有自主設計能力。目前長光華芯的976nm半導體(ti) 單管激光芯片已經實現量產(chan) ，輸出功率包含12、13w，平均光電轉換效率達到60%。而國外龍頭Dilas的976nm單管產(chan) 品輸出功率能夠達到60w，光電轉換效率相對比較接近。

seline;font-weight:normal;"> 固體(ti) 激光器按照泵浦方式不同可以分為(wei) 燈泵浦固體(ti) 激光器和二極管泵浦固體(ti) 激光器，其中傳(chuan) 統的燈泵浦固體(ti) 激光器由於(yu) 較低的轉化效率和使用壽命已經被市場逐步淘汰，二極管泵浦與(yu) 光纖激光器泵浦方式類似，隻是輸出波長、功率等參數指標存在區別。

seline;font-weight:normal;"> 諧振腔：光纖激光器的諧振腔由光纖光柵構成，光纖光柵是一種通過一定方法使光纖纖芯的折射率發生軸向周期性調製而形成的衍射光柵，可以簡單理解為(wei) 存在於(yu) 光纖中的反射鏡。目前光纖光柵的高端技術基本被加拿大的TeraXion壟斷，該公司產(chan) 品耐受泵浦功率可以達到3kw，國內(nei) 的供應商長飛光纖產(chan) 品的耐受泵浦功率已經能達到2kw，實現中高功率光柵國外壟斷的突破。

3、從下遊激光器降本訴求看激光器件的格局演變

seline;font-weight:normal;"> 在工業(ye) 生產(chan) 中，激光加工相比於(yu) 傳(chuan) 統加工具有高質高效、節能環保等許多優(you) 點，然而激光器高昂的價(jia) 格讓許多中小廠商望而卻步，延緩了整個(ge) 激光行業(ye) 的發展進程。對於(yu) 激光器廠商來說，降低成本可以提高其產(chan) 品毛利率、市場競爭(zheng) 力，加速市場滲透。由於(yu) 激光器生產(chan) 中原材料占比通常超過80%，降低原材料成本是所有廠商的核心訴求。

seline;font-weight:normal;"> 從(cong) 國內(nei) 外激光器龍頭廠商的動向來看，其降低成本主要有兩(liang) 種方式：第一是提高核心器件的自供比例，第二是由進口器件切換為(wei) 性價(jia) 比更高的國產(chan) 器件。

seline;font-weight:normal;"> 國外激光器龍頭公司經過多年的發展基本完成了從(cong) 核心器件到激光器集成的技術突破和全產(chan) 業(ye) 布局。根據國內(nei) 光電產(chan) 品導購平台光電匯的數據，2012-2016年，全球光纖激光器龍頭IPG 10w-2000w的產(chan) 品均出現不同程度的降價(jia) ，尤以10w-30w的低功率產(chan) 品為(wei) 甚，從(cong) 7-12萬(wan) 元不等下降至3-6萬(wan) 元，降價(jia) 幅度接近50%。

seline;font-weight:normal;"> 對應來看IPG的發展曆史，2010年以來，IPG陸續收購了PhotonicsInnovations、Optigrate等一係列擁有光隔離器、光耦合透鏡、光纖光柵等器件技術的廠商，進行向產(chan) 業(ye) 鏈上遊的縱向整合。同時，公司通過自主研發掌握了晶圓生長、泵浦源、有源光纖等核心器件技術，通過自研+整合完成了從(cong) 器件到激光器集成的全自供。從(cong) 其官方披露的數據看，2009年至2017年，公司激光芯片產(chan) 量由不到30萬(wan) 片上升至超過900萬(wan) 片，同時每瓦特芯片成本累計下滑80%，年均降幅達到18%。

seline;font-weight:normal;"> 德國激光器老牌霸主Rofin則分別在1997年和2008年收購了全球半導體(ti) 激光器龍頭Dilas和全球最大的特種光纖和光纖激光模塊廠商Nufern並整合了Corelase、m2k Laser等高功率光纖激光器和半導體(ti) 激光器公司，完成了從(cong) 半導體(ti) 泵浦源、光纖耦合器、特種光纖等核心器件到各類高端激光器的全產(chan) 業(ye) 布局。2016年，Rofin被美國相幹公司收購，使其成為(wei) 全球最大的激光器和光電子產(chan) 品解決(jue) 方案提供商。

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seline;font-weight:normal;"> 國內(nei) 供應商銳科激光、創鑫激光近幾年的原材料采購比例也在逐年下滑。根據銳科激光的招股說明書(shu) ，2015-2017年，公司有源光纖、無源光纖、泵浦源等核心光學器件的采購比例由79.24%下降至65.43%。從(cong) 創鑫激光的招股說明書(shu) 來看，公司目前除了芯片組件、高功率光纖光柵和光纖，其他原材料均可在國內(nei) 進行采購或自主生產(chan) ，已經實現光纖激光器核心器件泵源由外購到采購芯片組件自行封裝的轉變。

seline;font-weight:normal;"> 另一方麵，國內(nei) 光庫科技、福晶科技等一係列國產(chan) 激光器件供應商的出現實現了大部分無源器件的國產(chan) 替代。光庫科技主要供應隔離器、合束器、耦合器等光電子器件，2018年公司實現銷售收入2.89億(yi) 元，其中國內(nei) 收入占比53.67%，國外收入占比46.33%。以晶體(ti) 材料起家的福晶科技同時也供應精密光學元件和激光器件，2018年公司實現銷售收入4.91億(yi) 元，其中激光器件和精密光學元件合計占比約40%，國內(nei) 收入占比41.25%，國外收入占比58.75%。

seline;font-weight:normal;"> 國產(chan) 激光器件產(chan) 量和市場規模的提升大幅降低了激光器廠商的采購成本。2015-2017年，銳科激光采購泵浦源累計降價(jia) 幅度達到70%，有源光纖達到45%，無源光纖達到48%。2016-2018年，創鑫激光的原材料采購價(jia) 格同樣存在大幅下降，泵浦合束器、光隔離器、芯片組件多種核心器件的累計降幅超過50%。

seline;font-weight:normal;"> 從(cong) 市場競爭(zheng) 看，銳科、創鑫激光等國內(nei) 廠商的入局打破了國外供應商價(jia) 格壟斷的局麵，市場份額占比上，IPG在中國的市場份額從(cong) 2015年的73%下降至2018年的49%，相對應的銳科和創鑫的市場份額則在逐年上升。產(chan) 品價(jia) 格上，2015年，創鑫激光輸出功率20w的光纖激光器，售價(jia) 為(wei) 1.75萬(wan) 元，銳科為(wei) 1.8萬(wan) 元，而IPG同類型的激光器售價(jia) 則高至3-5.8萬(wan) 元，幾乎達到國產(chan) 激光器價(jia) 格的兩(liang) 倍。

seline;font-weight:normal;"> 在下遊激光器廠商的降本訴求影響下，激光器件的產(chan) 業(ye) 格局呈現兩(liang) 個(ge) 方向的演變趨勢：

seline;font-weight:normal;"> 其一，隨著激光器龍頭廠商的產(chan) 業(ye) 鏈縱向整合，泵浦源、工作物質、諧振腔等核心器件廠商基本都被收購兼並，以提高其激光器產(chan) 品的綜合競爭(zheng) 力。

seline;font-weight:normal;"> 其二，技術含量、市場價(jia) 值均較低的輔助無源器件產(chan) 業(ye) 出於(yu) 成本考慮則從(cong) 歐美發達國家向中國等亞(ya) 洲新興(xing) 國家轉移，市場競爭(zheng) 進一步激烈。

seline;font-weight:normal;"> 在這樣的格局演變下，激光器件公司隻有上浮和下沉兩(liang) 條出路，上浮指的是專(zhuan) 注於(yu) 具有高技術門檻的高功率激光芯片、光纖光柵等高端產(chan) 品；下沉則是指其提供的器件具有極強的成本優(you) 勢和高性價(jia) 比，能夠抵禦中低端產(chan) 品的激烈市場競爭(zheng) 。中國的光庫科技、福晶科技利用本土人力成本優(you) 勢和資源優(you) 勢有望在激光無源器件的國際競爭(zheng) 中勝出。

4、案例分析

4.1、長光華芯-實現高功率半導體激光芯片國產化

seline;font-weight:normal;"> 蘇州長光華芯光電技術有限公司是國內(nei) 少數幾家具備高功率半導體(ti) 激光芯片自主研發能力的高科技公司。公司正式成立於(yu) 2012年，依托中科院長春光機所的技術支持，目前擁有激光芯片、器件、光纖耦合模塊、陣列、直接半導體(ti) 激光係統五大類產(chan) 品，其中激光芯片是另外四類產(chan) 品的核心基礎，應用於(yu) 工業(ye) 泵浦、激光通信、激光裝備、3D傳(chuan) 感、生物醫學、科研等領域。

seline;font-weight:normal;"> 公司董事長、總經理閔大勇是華工科技前總裁，曾任華日精密、銳科激光董事長、總經理等職務，具有豐(feng) 富的行業(ye) 經驗和資源積累。常務副總經理兼CTO王俊先後在nlight、Spectra-Physics等公司領導參與(yu) 多項高功率半導體(ti) 激光器產(chan) 品的研發及產(chan) 業(ye) 化，技術底蘊深厚。公司研發技術團隊中碩士博士占比超過50%，曾承擔國家“863”、“973”等多項重點研發計劃。

seline;font-weight:normal;"> 截至目前，公司已獲得三輪融資，天使輪發生於(yu) 2012年4月，投資方為(wei) 蘇州華豐(feng) 投資、英鐳光電和奧普光電；A輪發生於(yu) 2016年9月，投資方為(wei) 武漢達潤投資和東(dong) 湖創投；B輪發生於(yu) 2018年8月，投資方為(wei) 國投創業(ye) 、中科院創投和蘇州橙芯創投，金額1.5億(yi) 元。B輪融資完成後，公司下一步會(hui) 繼續提升高功率半導體(ti) 激光芯片和模塊的產(chan) 能，並開展VCSEL激光雷達芯片的研發以及直接半導體(ti) 激光器的量產(chan) 和應用。

seline;font-weight:normal;"> 公司的高功率激光芯片產(chan) 品包含巴條芯片和單管芯片兩(liang) 類，976nm的單管芯片最高輸出功率達到13w，805nm的巴條芯片最高輸出功率達到300w。此外，公司的直接半導體(ti) 激光係統最高功率已經能達到1kw，相比於(yu) 光纖激光器尺寸更小、光電轉化效率更高、成本更低，未來功率進一步提升後在工業(ye) 加工領域競爭(zheng) 優(you) 勢巨大。

4.1、光庫科技-國產激光無源器件先驅

seline;font-weight:normal;"> 珠海光庫科技股份有限公司成立於(yu) 2000年，是一家從(cong) 事光纖器件的設計、研發、生產(chan) 、銷售及服務的高新技術企業(ye) 。公司產(chan) 品種類豐(feng) 富，產(chan) 品線包括隔離器、環行器、合束器、WDM、光纖光柵等全係列光無源器件，被廣泛應用於(yu) 光纖激光、光纖通訊、航天航空、傳(chuan) 感探測等領域。2017年3月，公司於(yu) 創業(ye) 板上市，目前股價(jia) 為(wei) 38.7元，總市值34.96億(yi) 元。

seline;font-weight:normal;"> 2000-2007年，順應光通訊行業(ye) 在國內(nei) 的迅速發展，光庫科技以光通信器件起家；2007年，公司內(nei) 部出現管理問題，海歸學者王興(xing) 龍博士帶著矽穀的技術專(zhuan) 家回國作為(wei) 聯合創始人接管公司並重新組建團隊。同年，公司產(chan) 品線開始向光纖激光器件拓展。

seline;font-weight:normal;"> 2008年至今，依托王興(xing) 龍、張大鵬等美國矽穀背景的激光及光通訊行業(ye) 優(you) 秀人才和激光專(zhuan) 家姚建銓院士為(wei) 首的技術顧問團隊，公司光器件產(chan) 品逐步向高性能、高可靠性發展，在中高功率器件散熱技術、光纖端麵處理技術、保偏器件對位技術等方麵處於(yu) 國際領先水平。2013年，公司為(wei) “嫦娥三號”登月項目提供了其激光三維成像敏感器內(nei) 所用的光無源器件，體(ti) 現了公司產(chan) 品的較高技術水平。2018年，公司以1.45億(yi) 元收購加華微捷，拓展有源光器件產(chan) 品線，進軍(jun) 數據通訊市場。

seline;font-weight:normal;"> 經過將近20年的發展，在技術研發上，公司建有廣東(dong) 省光電器件工程技術研究中心，擁有廣東(dong) 省院士專(zhuan) 家企業(ye) 工作站、博士後科研工作站分站等創新平台，並與(yu) 中國科學院、天津大學、香港科技大學等科研院所開展多項項目合作，2018年成功研發千瓦級光纖光柵、6000瓦激光輸出頭、高功率自由空間隔離器、200瓦光纖在線隔離器、大功率反向泵浦合束器等多項高端光器件產(chan) 品；在客戶拓展上，憑借公司產(chan) 品的技術優(you) 勢和先發優(you) 勢，公司已經成為(wei) 行業(ye) 內(nei) 的知名品牌之一，客戶包括德國通快、相幹、大族激光、銳科激光、傑普特等國內(nei) 外主流光纖激光器廠商，以及Finisar、Lumentum、中際旭創等知名光通訊企業(ye) 。

seline;font-weight:normal;"> 隨著高功率光纖激光器在工業(ye) 加工領域的占比不斷提升，高功率光纖器件的市場需求也在逐年增長，截至目前，公司的光纖激光器件已經取代光通信器件成為(wei) 其主要收入來源。2018年，光纖激光器件實現銷售收入1.98億(yi) 元，毛利率51.41%，占公司營業(ye) 總收入的68.55%，光通信器件實現銷售收入0.55億(yi) 元，毛利率33.69%，收入占比則從(cong) 2014年的35.76%下滑至18.98%。由於(yu) 光纖激光器件精密度高，客戶需求複雜，為(wei) 保證產(chan) 品的精度、高速高效和可靠性，此類器件的定製化比重較高，要求很高的製造工藝和經驗積累，所以產(chan) 品附加值較高，毛利率相比於(yu) 光通訊器件能保持較高水平。另外，相比於(yu) 已經進入成熟期的光通訊市場，光纖激光器件行業(ye) 正處於(yu) 快速成長階段，國內(nei) 激光的工業(ye) 加工需求近幾年實現爆發性增長，在宏觀環境影響下，光纖激光器件的國產(chan) 替代趨勢明顯。

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