激光產業鏈全景分析報告

來源:國金證券    關鍵詞:激光產業鏈, 高功率光纖激光器,    發布時間:2019-06-10

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一 、 激 光產業鏈全 景梳理,光加工迎趨勢紅利

1.1 光加工趨勢紅利:激光公司批量上市

產業現象:激光產業鏈公司近期密集上市

  • 2018 年前,A 股激光產業鏈上市公司數量相對有限,主要包括大族激 光、華工科技、福晶科技、光庫科技、光韻達、金運激光、亞威股份 等。
  • 以 2018 年 6 月國產激光器龍頭銳科激光創業板上市為標志,激光產 業鏈相關公司迎來批量上市的機遇期。經我們粗略統計,光峰科技、 帝爾激光、創鑫激光、杰普特、鉑力特、柏楚電子等激光產業鏈公司 即將登陸創業板或科創板。未來幾年,聯贏激光、長光華芯、華日激 光等也有上市潛力。
  • 我們認為,激光產業鏈公司批量上市一定程度上代表了機加工到光加 工 時 代 的一次產業升 級趨勢。
  • 激光與工業機器人具有類似的泛自動化行業屬性,一是符合智能制 造、替代人工、提高生產效率的產業升級方向,二是下游應用領域基 本重疊,三是依靠核心器件降價打開市場容量,重要的區別在于激光 核心部件的國產化速度較工業機器人進展更快,產業鏈有能力完成國 內閉環。

光加工核心驅動:激光器降價

  • 光源是激光產業的核心,也是驅動激光裝備降本的前提。激光器作為光源,占激光裝備成本的 30%-60%,是制約經濟性的關鍵。
  • 光纖占據激光主流 技術路線: 激光自 1960 年發明以來,先后經歷了固 體(非光纖)、氣體(CO2)、光纖三條主流技術路線,誕生了相干和IPG等激光器巨頭,德國通快等激光裝備龍頭。進入 2000 年以來, IPG 依靠技術創新將光纖激光器成本大幅壓縮,取代了二氧化碳激光器的主流地位,到目前光纖全球占比接近50%,為高功率激光器的降 本和激光新應用拓展奠定了基礎。
  • 激光器自身降價與進口替代兩大趨勢疊加加速下游應用推廣。(1)降 價:激光器核心器件符合類摩爾定律屬性,每年保持一定價格降幅, 同時性能有所提升。IPG2009 年以來每瓦特的芯片成本下降了 80%, 年均降幅 18%;(2)進口替代:以銳科激光、創鑫激光為代表的國產 激光器廠商正在逐步替代 IPG 在中國區的市場份額。銳科激光的市場 份額由 2017 年的 12%提升至 2018 年的 17%,同期 IPG 份額由 52%降 至 49%。
  • 我們認為,激光器降本推廣和制造業產業升級助推了行業的發展,使 得這一批激光企業在短短幾年時間初步完成了產業資本的重要積累。
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1.2 全景梳理:器件、激光器、激光設備

  • 激光產業鏈從上游-中游-下游-終端可分為四大環節:(1)上游為核心器 件,包括 激光芯片 、泵浦 源、特 種光纖 、晶體材 料、光 學元器 件、電 子元 器件、機械元器件、激光控制系統;(2 )中游包括激光器,包括光纖 激光 器、二氧化碳激光器、其他固體激光器等;(3)下游包括激光切割、 激光 打標、激光焊接、激光清洗、激光熔覆、激光 3D 打印、激光顯示、激光 測量、激光武器、激光美容醫療等;(4)終端客戶包括汽車制造業、3C 電子、專 業鈑金加 工、航 空航天 、光伏 、船舶重 工、工 程機械 、軍工 集團 等。
  • 對應上述四個環節,國產激光產業鏈(擬)上市公司包括:(1)長光華芯(激光芯 片)、睿 芯光纖(特種 光纖) 、福晶科 技(晶 體材料)、光 庫科 技(無/有源光學元器件)、柏楚電子(激光控制系統);(2)銳科激光(激光器)、創鑫 激光( 激光器)、杰 普特(激 光器) 、華日 激光( 超快 激光器);( 3) 大族激光(全系列激光裝備)、華工科技(切割焊接)、 亞威股份(切割焊 接)、 帝爾激 光(光 伏激光開 槽)、 聯贏激 光(激 光焊 接)、巨星科技(激光雷達)、鉑力特(激光 3D 打印)、光韻達(激光3D打印)、光峰科技(激光顯示)。
  • 對應上述四個環節,海外主要激光產業鏈上市公司包括:(1)貳陸(激光 芯片)、lumentum(激光芯片)、nufern(特種光纖);(2)IPG(光纖 激光器)、nlight(光纖激光器)、相干(二氧化碳激光器);(3)通快(激光裝備)、Amada(激光裝備)、瑞士百超(激光裝備)、Velodyne(激光雷達)、ASML(激光裝備)。
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1.3 研究思路:需求沿產業鏈同步傳導,經濟性受需求和成本制約

激光產業鏈分三部分:激光器件、激光器、激光裝備,核心邏輯是依靠器件降本打開更多經濟性場景。

  • 激光裝備環節: 行業發展的關鍵要建立在不同場景拓展基礎之上。(1)新應用場景的拓 展取決于產品 經濟性(即產品 投資回收周期), 而經濟性取決于訂單量與設備采購成本、運營成本的差值。訂單量受 宏觀需求制約,成本則主要取決于激光器的價格。 (2)我們從三個角度建立了跟蹤需求變化的指標:宏觀:PMI、制 造業產成品存貨;中觀:永康五金加工指數、工業機器人產量、具 體子行業下游投資需求;微觀:全球激光器龍頭——IPG 單季度收 入情況、重點激光裝備單月的訂單、激光控制系統龍頭——柏楚電子 的收入情況。
  • 激光器環節:激光器的直接需求來自于激光裝備企業訂單,從而間接 受宏觀需求制約。從激光器角度,我們認為比較核心的是追蹤激光器 企業分功率產品結構的銷量、價格及結構,重點產品的返修率變化、 降價幅度及對激光器毛利率的影響。
  • 器件環節:降價對毛利率的影響研究,核心追蹤:第一,核心器件自 身的降價幅度、成本底線;第二,核心器件的國產化進展。
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二 、 激 光裝備:上 游降價提升設備經濟性,新場景 需求持續打開

2.1 空間測算:預計 2025 年中國激光裝備市場超1300億;激光器 250 億

  • 裝備市場中國超過全球一半。根據 Laser Focus world 統計,2018 年全球激 光裝備市場規模 138億美元,根據《2019 年中國激光產業報告》的統計, 2018 年中國激光裝備市場規模為 605 億元,超過全球市場的一半,其中工 業領域 300 億元。工業領域中激光切割打標市場規模預計為250億,焊接 市場預計 50 億元。
  • 上市公司層面看市場結構:(1)裝備:消費電子領域占 50%以上,泛工業 制造領域占 30%~40%,半導體、新能源等領域占 10%。(2)激光器:預 計目前泛工業制造領域占比超過 60%,消費電子領域占比 20%~30%。(泛 制造業包括 汽車制 造、工 程機械、 軌交裝 備、電梯 、家電 、船舶 重工 等)。
  • 根據 7 家激光裝備上市公司收入可比口徑,上一輪景氣周期為2016和 2017 年,增速分別為 28%和62%,2018 年重回2%的低增速。我們預計 2019 年 H2有望構建行業底部,2020 年有望迎來上行周期。(7 家公司包 括大族激 光、華工 科技、 光韻達 、金運 激光、聯 贏激光 、鉑力 特、帝 爾激 光)
  • 預計到 2025 年,國內激光器市場規模將達到 250 億,年復合增速超過 16%。2018 年國內激光器市場規模超過 80 億元,占全球光纖激光器市場 總規模的 45%。
  • 激光器行業目前仍震蕩下行,或將進入磨底階段。我們以 IPG、銳科激光 和創鑫激光三家公司為代表樣本,2016 和 2017 年合計收入增速分別為28%和 64%,與7家激光裝備上市公司收入增速基本匹配。自 2018Q3 以來 進入下行周期,目前此下行周期已經持續三個季度,2019 年 Q1 行業增速 加速下滑至 17%。兩大激光器企業(IPG 和銳科激光)增速出現分化,IPG 和銳科激光 2019Q1 收入增速分別為-24%和 24%。
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2.2 競爭格局:裝備端競爭分散,激光器端集中度較高

激光裝備競爭格局較為分散:以 2018 年國內 605 億激光裝備市場規模為計 算,大族激光市占率 18%,華工科技市占 8.6%,通快中國市占6%,CR3 市占率占比32.6%。

(1)由于消費電子領域大客戶特點,其激光需求基本被大族激光和華工科技 兩家龍頭獨占,大族激光 2017年高峰期蘋果消費電子領域收入 40 億元左右;

(2)由于區域性和下游離散型制造企業的特點,泛制造業領域的激光加工市 場難以形成較為集 中的競爭格 局,國內從 事激光切割領 域的激光加 工裝備企業 超過 300 余家。

激光器集中度較高:激光器市場集中度較高。國內 CR3 占據了 75%的市場 份額。其中 IPG占 49%、銳科激光 17%,創鑫激光9%。

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2.3 經濟性:萬瓦激光切割機將逐步具備經濟性

激光滲透速度取決于產品經濟性:激光切割替代傳統工藝本質取決于新老 產品的投資回收周期。根據我們交流了解,激光切割機在 2017 年高景氣 時,投資回收周期在 2年以內,而在 2018 年下半年景氣回落階段,投資回 收周期超過 3 年甚至更長。原因在于宏觀承壓,第三方鈑金加工廠接到的 訂單減少 ,終端用 戶使用 原先的 舊工藝 設備依然 能夠維 持生計 ,替代 需求 減弱,下半年行業出現同比負增長。

6kw激光切割機經濟性測算:根據我們交流了解:

(1)單臺設備價值量方面,激光器價格每年降幅超過20%,帶動激光裝備價 格逐年下降超過 10%,單臺設備的一次性購買成本大幅下降,與傳統等離子切 割和火焰切割機的價差逐年縮小。例如:IPG 2017 年 6kw 售價 100 萬元以上/ 臺,對應到激光切割機端的售價可能達到 250 萬/臺左右;到目前預計 70-90 萬,對應到激光裝備的價格已經降至150-180萬/臺左右。

(2)運營成本方面,光纖激光加工較傳統的火焰和等離子加工工藝具備明顯 的經濟性優勢,且符合環保要求、無須二次加工等優勢。

萬瓦激光切割機將逐步具有經濟性。目前激光切割機主流加工范圍為 30mm 以下中薄板,而 30mm 以上碳鋼和40mm以上的不銹鋼等中厚板仍 然用等離 子切割和 火焰切 割機加 工方式 。隨著激 光器成 本的大 幅下降 ,萬 瓦以上功 率段的激 光切割 機將逐 步具備 替代的經 濟性。 我們預 計這部 分市 場的存量空間超過 5 萬臺,目前對傳統的工藝滲透率較低,且激光器基本 上被 IPG 壟斷。

超高功率最新進展。從 IPG 收入結構看,自從其 6kw 產品在 2016 年下半 年推出后,目前 6kw 及以上功率段整體收入占比已經超過 30%,該部分市 場收入超過 30億元。繼 6kw 推出后,IPG 2017 年推出 8kw和 1 萬瓦, 2018 年推出1.5萬瓦,2019 年推出 2 萬瓦,2019Q1 IPG 萬瓦以上收入增速 40%。

2.4 需求跟蹤:滲透速度受宏觀約束,下半年望構筑行業底部

  • 需求拆分具體見 2.1 市場結構部分。
  • 如何定量高頻跟蹤下游需求變化:我們嘗試建立了高頻指標跟蹤激光裝備 下游景氣變化,主要在以下兩大代表領域:(1)泛工業制造領域:比如 PMI、永康五金加工指數、IPG 全球單季度數據、汽車制造業產成品存貨同 比、工業機器人銷量增速、激光控制系統企 業柏楚電子收入情況等;( 2) 3C 消費電子領域:主流智能手機工藝革新對激光的需求;(3)新能源汽 車領域:新能源汽車銷量;(4)光伏領域:PERC 擴產及對激光需求。
  • 一是,泛工業制造領域,指標跟蹤顯示行業依然處于下行周期的階段。進 入 3-4 月以來,制造業 PMI 重新進入景氣擴張區間;工業機器人 4 月份產 量同比下滑 7%;永康五金加工下游指數在一季度進入景氣擴張區間,但是 在 4月份重新跌回非景氣區間;IPG 中國區一季度收入下滑-24%。
  • 二是消費電子領域,主要是智能手機等電子產品工藝革新帶動的激光設備 需求。由于智能手機已經渡過快速滲透階段,單純跟蹤銷量沒有太大意 義。跟蹤如智能手機中框加工、全面屏、5G 等工藝革新對超快激光裝備需 求。
  • 三是新能源汽車領域,定量的數據包括跟蹤新能源汽車銷量、電池廠裝機 量等。
  • 四是光伏領域,定量的數據包括全球和中國光伏年度新增裝機規模, PERC 擴產;定性的跟蹤包括 SE 摻雜、激光擴硼、半片、疊瓦、HIT 等新電池工 藝的升級。

2.5 重點場景:高功率切割焊接、醫療、遙感、超快

IPG 預測,高功率切割焊接、醫療、遙感、非金屬材料微加工將成為激光行業新的增長點。

  • 上一輪行業性的拐點發生在 2016H2,與行業拐點一致;
  • 2015 年~2023 年,全球激光器市場規模有望從 47 億美元增長至 95 億 美元,年均復合增速 10%;
  • 到 2023 年高功率切割和焊接依然是激光裝備的第一大應用領域,其次 為醫療、激光傳感和非金屬材料微加工。(注:高功率為 1.5kw 以 上)
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2.5.1 激光切割:高功率切割是目前激光器行業主要增長點

競爭格局:海外廠商包括德國通快(中國區 35 億元)、日本 Amada、瑞士 百超,國產廠商大族激光(2018 年高功率激光裝備收入 23 億元)、華工 科技(2018 年激光裝備業務收入 17.7 個億)、宏山激光、奔騰激光、邦德 激光(2018 年收入 4.67 億元)、亞威股份(2018 年激光業務收入 4.57 億 元)、領創激光、迅鐳激光、海目星等。

2.5.2 激光焊接:潛在空間或不亞于切割,非標屬性明顯

激光焊接工作原理:激光產生高功率單一的光束,作用于金屬表面,能 夠快速達到金屬沸點并熔化,熔化后的金屬冷卻凝固后形成焊縫,從而 實現焊接功能。

  • 焊接具有非標屬性:激光焊接與切割工藝不同,需要針對不同應用場 景進行定制化的設計,并配套機械手等其他設備,主要用于替代人工 和滿足柔性制造特點。
  • 激光焊接經濟性欠佳,主流客戶集中在新能源動力電池和高端車企。 目前激光焊接僅在動力電池(電芯和模組段激光焊接)、高端車企(白車身、底盤、個別零部件等)、高檔廚電領域有所應用,整體經 濟性欠佳。隨著激光器價格的進一步下降和人工成本的上升,激光焊 接的經濟性會逐步得到體現。根據我們近期交流了解,1-1.5kw 功率 段 激 光 焊接替代傳統 的氬弧焊、電子焊已經開始具備經濟 性。

我們認為,激光焊接未來的潛在空間或不亞于切割。從理論上講,中國 作為全球制造中心集結了全球最多的切割和焊接基礎工藝設備場景,且 焊接設備非標屬性決定焊接不會像切割一樣,很快陷入價格戰的紅海之 中 , 對激光裝備和激光器公司的毛利率會有一定的支撐。

激光焊接競爭格局:德國通快、大族激光(2018 年動力電池焊接業務 的營收規模約 8 億元,+78%)、逸飛激光、聯贏激光(2018 年整體營 收規模 9.8 億元,+35%)、亞威創科源、江蘇北人(2018 年公司收入 4.12 億元)。

2.5.3 激光顯示:下游應用逐漸拓展,電影和電視逐步具備經濟性

傳統激光顯示技術路線面臨產業化的難題:傳統主流的激光投影顯示技 術 是以紅、 綠、藍三 基色激 光為光源 ,混合成 全彩色 ,進行投 影的 技 術,見下圖 27。但是傳統的激光投影技術面臨三個方面產業化的難 題:( 1)紅光激光器材料溫度穩定性差、綠光激光器效率低壽命短; ( 2)激光光源由于相干性導致的視覺散斑,影響顯示效果;(3)紅綠 激 光 昂貴、直接產業化成本過高。

光峰科技 ALPD 技術架構解決傳統激光顯示的產業化難題。李屹博士創立 的光峰科技自 2007年開始在全球領域獨創 ALPD 技術架構,使用氮化鎵 基藍光激 光器和熒 光材料 實現紅 綠光譜 ,將激光 的高亮 度與熒 光材料 的高 性能結合在一起,獲得了1400余項專利(包括正在申請中),該技術路 線成為激光顯示領域的基礎性技術。

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主要應用:目前激光顯示較為成熟的應用主要包括四大領域:激光電影、激光電視、激光工程投影機、激光商教投影機。

  • 激光電影:激光電影終端銷量與下游電影放映廳總量以及激光放映的 商業模式相關,從近幾年觀察看下游電影放映廳數量增速保持20%以 上的復合增速。截止 2018 年底,我國擁有電影放映廳 60079 個,其中 安裝使用激光電影放映設備為 23431 臺,激光滲透率約為 39%。
  • 激光電視:截至到 2018 年,境內激光電視銷量 16.4 萬臺,同比增長 130%;
  • ?激光商教投影機: 2018 年,國內激光商教投影機銷量 18.1 萬臺,同比 增長 8%;
  • 激光工程投影機:2018 年我國激光工程投影儀出貨量 4.2 萬臺,同比 增長 23.5%。

激光顯示替代傳統的顯示設備逐漸開始體現出經濟性

  • 激光電影主要替代傳統的疝光燈泡光源,氙燈燈泡壽命較短(不超過 1500 小時),且亮度色彩衰減較快。影院為持續保證良好的觀影效 果,每年需更換燈泡3-4 次,并且更換過程中存在炸燈的安全隱患。 ALPD 熒光激光顯示技術光源,光輸出覆蓋 5000 至 55000 流明,可在 30000 小時使用時間內光衰不超過初始亮度的 30%。同時免除氙燈光 源維護帶來的人力成本、購燈成本、炸燈隱患,租賃模式減輕了影院 日常運營維護成本與壓力,經濟效應已經非常明顯。
  • 激光電視主要替代 OLED 大屏電視。大屏是電視的發展方向,目前 60 寸以上大屏電視占比 24%左右,IHS預計到 2025 年占比將超過 40%。 但是傳統的大屏電視面臨幾個限制因素:價格較高和安裝不便。

(1)從價格因素看,根據AVC Revounit 報告統計,激光電視 2016 年激光 電視接近 6 萬元的市場均價,2018 年已經降至 2 萬元附近。光峰科技 2018 年推出小米海外版激光電視,銷量至 40583 臺,平均單價從2016年的 24861 元降至 2018 年的7556元。

(2)從安裝方便性上 講,激光電視解決 了傳統大屏電視 安裝復雜且成本高 的痛點。

激光顯示競爭格局:激光顯示領域的主要市場參與方包括光峰科技、巴 克、IMAX、海信電器、NEC、鴻合科技。其中即將登陸科創板的光峰科技 在激光電影光源部署量、激光電視光機、激光商教機銷量排名分別為第 一、第一和第二名。

2.5.4 激光武器:固體光纖激光器在軍事領域有重要價值

激光武器是一種定向能新概念武器,利用強大定向發射的高強度激光束 直接毀傷敵方無人機、無人艦、導彈、衛星和人員等目標。與傳統武器 相 比,激光 武器具有 速度快 、精度高 、攔截距 離遠( 最高可至 上萬 公 里)、火力轉移迅速、不受外界電磁波干擾、單次發射成本低(激光武 器 1000~3000美元/單次,相比于一枚導彈成本可能在 60-100 萬美元左 右)等優點,激光武器可裝載在空間站、陸戰車、飛機、大型驅逐艦和 步槍上。

美國海軍勞斯艦載激光采用的是光纖激光器路線。自1971年以來,美 國激光武器技術路線先后經歷了二氧化碳激光器、化學激光器,固體光 纖激光器時代。2010 年美國與科托斯公司簽署了 1100 萬美元的合同, 科托斯使用 6 臺 IPG 公司生產的 5kw 單模光纖激光器,實現總輸出功 率 32kw。美國研發的勞斯激光近程防御系統目前已進入成熟發展階 段,整套系統采購價格只有約 1500~1700萬美元(折合 10200~11560萬 元) ,單次發射成本極低。

我們認為,隨著國產光纖激光器單模功率水平的提升,在“十四五”期 間 , 國產光纖激光器在軍事上的應用(車載和艦載)將得到重要體現。

激光產業鏈全景分析報告
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2.5.5 非金屬材料微加工:超快激光加工成本拐點臨近

高功率和超快是激光裝備行業的兩個主要發展方向。脈沖寬度在 10-12s 和 10-15s 內的激光器屬于超快激光器,主要包括飛秒和皮秒激光器,其 激光設備的核心優勢在于對材料本身熱影響小,廣泛應用于消費電子、 醫 療 美容、微機械制造等微加工領域。

超快激光設備通常由超快激光器、外部光路系統、運動控制系統三部分組 成 。 工作過程中,超快激 光器會 作用于 金屬或 非金屬材 料的表 面,使 得材 料吸收激 光能量后 開始燒 蝕。材 料中的 價帶電子 首先吸 收光子 發生電 離形 成自由電 子,當自 由電子 產生的 足夠多 而形成“ 臨界密 度”等 離子體 結構 時,材料 開始燒蝕 。在激 光鉆孔 時,隨 著一定頻 率脈沖 的不斷 沖擊, 小坑 會越來越 深,燒蝕 產生的 廢材與 熔料越 來越難以 清除, 從而阻 止激光 向坑 底傳遞能量,最終深度會達到一個飽和狀態,形成微孔。

超快激光裝備主要受益于手機等消費電子增長。

  • 超快激光在手機上的應用包括 logo 打標、微部件直接成型、激光開 孔、FPC 切割(5G 電路板)、PCB 打標、激光切割 HOMO 鍵、藍寶石 切割、攝像頭保護鏡片切割、手機內構件焊接。
  • 超快激光器市場增長主要受益于消費電子工藝創新(含 5G)帶來的增 量需求以及對傳統 CNC 和皮秒加工設備的替換需求。根據大族激光 2018 年年報,公司針對 5G 天線應用場景,實現了用于 LCP 材料 FPC 加工的高端 激光切割/ 鉆孔設備 、超高速 貼附設備 的大批量 銷售,并在 IC 載板的極小微孔加工方面取得技術突破。
  • 激光在醫療美容領域的應用包括眼科屈光手術、美容方面的祛除紋 身、祛皺、塑性、前列腺手術、脫毛以及牙科領域,市場規模超百億 元。目前激光醫療美容領域的應用仍以進口裝備為主。醫療美容使用 的激光器為 1-150 瓦的連續波以及二極管激光系統。

國內超快激光器市場規模超過 20 億元,增速超過 30%。

  • 據 OFweek研究中心數據顯示,2016 年全球超快脈沖激光器產值為 8 億美金,預計行業保持 15%的復合增速,到 2020 年將達到 14~15 億 美金。參考光纖激光器,假設中國超快激光器占全球的一半,到 2020 年,國內超快激光器市場規模將達到 50 億人民幣左右。目前國內超快 激光器市場規模超過 20 億元,未來 2 年復合增速有望超過 30%。
  • 據《2019 中國激光產業發展報告》,我國 2018 年國產皮秒和飛秒超快 激光器市場銷售數量已達到 850 臺,同比增速 84.8%。

三 、 激 光器:進口 替代進程加速,功率結構具備持 續升級空間

3.1 光纖激光器的技術原理與成本構成

光纖激光器是目前激光器的主流技術路線,占到全球激光器規模的近 50%。如圖 6,光纖激光器價格的下降是提高新應用場景經濟性的前提。 半導體激 光器較光 纖激光 器而言 ,由于 無需特種 光纖, 原材料 成本可 以降 得更低, 但同時面 臨光斑 較大等 問題, 未來在激 光焊接 領域也 有一定 的發 展空間。因此,我們以光纖激光器為研究對象。

皮秒和飛秒等超快激光器有望復制光纖激光器價格下降的路徑,在藍 寶石切割、OLED 切割和醫療美容等精密微加工領域完成國產替代, 為行業貢獻新的增長點。

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光纖激光器的原理、結構與 IPG 兩大技術基石

  • 工作原理:泵浦源里的泵浦光(由電能轉化而來)入射到光學諧振腔 里特種光纖,會被所摻雜的稀土離子(鐿和鉺等)吸收,吸收了光子 能量的稀土離子會發生能級躍遷,實現“粒子數反轉”,反轉后的粒子經 弛豫后會以輻射形式再從激光發態躍遷回到基態,并釋放出能量,形 成激光束輸出。
  • 包層側面泵浦技術和分布式單發射芯結二極管泵浦結構是 IPG 的技術 基石。

( 1) 包層側面泵 浦技術: 指三個二極管泵浦模塊圍成一圈組成泵浦源, 每個泵浦模塊又由 3 個二極管線陣組成,每個線陣的輸出功率平均為 20W,通過玻璃管形成泵浦腔和制冷通道。半導體泵浦源發出的光經過三 對光束整 形透 鏡會聚 到這三 條增 透膜區 域內, 透過玻 璃管 壁被晶 體吸收。 由于玻璃管大部分區域鍍有高反射膜,使得泵浦光進入泵浦腔后來回反 射,直至倍晶體吸收并在晶體橫截面上形成均勻的增益分布。

( 2) 分布式單發射 泵浦技術: 較國內一般的巴條泵浦技術方案相比,單芯 結泵浦相 互獨 立,單 個發生 故障 不會影 響其他 泵浦的 性能 和可靠 性,不受 最具侵蝕性的工業環境影響,解決了巴條泵浦的熱互擾難題。

  • 激光器成本結構拆分:特種光纖占 20%,泵浦源占 30%,光學元器件 占 30%,其他電子與機械元器件占 20%。
激光產業鏈全景分析報告
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3.2下行周期的競爭策略:份額優先

  • 競爭格局:IPG 在 6kw及以上超高功率市場依然壟斷中國的份額,2017 年 和 2018 年市占率分別為52%和 51%;銳科激光正在 3kw 和 6kw 功率段快 速替代 IPG的份額,12kw 完成小批量交貨,20kw 完成驗收,2018 年市占 率 18%,提高5.3pct;創鑫激光銷量結構以脈沖激光器和2kw以上光纖激 光器為主,2018 年市占率 9%,擬在科創板上市。
  • 進口替代,份額優先:從 2018 單個季度收入增速看,銳科激光收入增速明 顯高于 IPG 中國區的收入增速,IPG 連續三個季度在中國區的增速下滑, 2019 年Q1下滑 24%,而同期銳科激光依然保持 20%以上的收入增速,公 司份額優先戰略得到有效執行。

3.3 量價結構:6kw 以上國產化率不足 10%,價格戰有底線

激光器銷量結構:6kw 以上國產化率不足 10%

從銷量結構看,1.5kw 以下基本上已經完成進口替代,1.5kw 以上仍具 備進口替代空間。尤其是 6kw 以上功率段,海外進口激光器占比仍然 超過 90%的份額。隨著激光器降價,整個需求功率結構仍然具備進一 步升級的空間。

(1)100w 以下:基本實現進口替代,過去兩年國產銷量端保持 30% 以上的增長,預計 2019 年國產實現銷量 12.5 萬臺,同比增長 13.6%, 較 2018 年增速放緩。

(2)介于 100w和 1.5kw:2018 年國產化率 51%,過去兩年國產銷量 端增速分別為 33%和 25%,預計2019年國產實現銷量 15.5 萬臺,同 比增長 24%,與 2018年持平。

(3)1.5kw 以上:2018 年國產化率 34%,預計今年國產化率將達到55%。過去兩年國產銷量端增速分別為 316%和 100%,預計2019年國 產銷量達到 4000 臺,同比翻倍。1.5kw 以上國產化率提升得益于銳科 激光和創鑫激光 3kw和 6kw 高功率激光器成熟對 IPG 進口替代。

激光器的價格結構:價格戰有底線

  • 激光器成本端下降支持降價。激光器價格由于降價時間不統一、功率 結構差異因素和不同企業之間的優惠折扣差異,定價屬于公司機密, 很難取得連續型數據。但是我們參考IPG 成本下降曲線(以每瓦芯片 成本為代表),激光器成本端每年保持18%的下降幅度。
  • 主要激光器企業價差:根據我們交流,過去兩年,每年激光器同功率 均價保持 20%~30%的降價幅度,國產激光器與 IPG 激光器同功率產品 基本保持在 20%~40%左右的價差幅度。
  • 2018 年下半年以來,受 宏觀需求影響 ,激光器企業 之間的價格戰幅度 較以往年份更加激烈,降幅超過 30%。
  • 激光器的價格戰是有底線的。隨著中低功率的激光器基本完成國產替 代和激光器價格的進一步下降,中低功率激光器的價格進一步下降的 空間已經比較有限。目前降價最為激烈的功率段已經由去年的2kw 和 3kw,提升至 6kw 及以上功率階段。

3.4 復盤 IPG 的兩次毛利率危機:毛利率下降后依然可以回升

激光器價格對公司毛利率的影響機制:激光器產品降價,單品毛利率下 滑。激光 器公司整 體毛利 率維持 穩定需 要從幾個 方面進 行對沖:一是 激光 器原材料 端成本的 下降, 二是整 體需求 結構往更 高功率 進行結 構性升 級, 高功率高毛利率產品在整體出貨量中的占比提升;三是開拓新的應用場 景。

上述機制決定了激光器毛利率下滑后可否重回上升通道:取決于原材料成 本結構與產品結構,我們以 IPG 為例闡述。

IPG 上一輪全球金融危機的表現對于研判行業變化具有重要意義。我 們翻閱了近十年 IPG 的年報,回顧了其在 2008 年全球金融危機以來 兩次毛利率危機。

(1) 第一次危機:受 2008 年全球金融危機帶來的宏觀需求疲軟,IPG 光纖激光器與主流的二氧化碳 激光器之間陷入嚴重 的價格戰,2009 年 IPG 毛利率下滑12pct至 35%,凈利率下滑 13.95pct 至 2%。價 格戰對毛利率的壓制對 IPG 形成倒逼,迫使其通過以下五個方面: 2009 年報披露:1提升份額;2拓展新應用:如切割高強度鋼合 金和汽車高速焊接;3拓展產品結構:從 2009 年開始,公司開始 銷售高功率耦合器,光束開關和特種光纖,高功率封裝二極管,長 脈沖高峰值功率光纖激光器和脈沖綠光纖激光器;4優化制造工 藝;5加大全球化布局。經過五大舉措,2010 年以后,公司重返 50%以上的毛利率,并維持了 9 年的時間。

(2) 第二次危機:受本輪全球經濟疲軟影響,尤其是中國區以銳科激光 和創鑫激光為代表的國產激光器廠商進口替代進程加快,在 2kw 及以上功率段的價格戰,IPG 毛利率再次進入下跌。2019Q1 毛利 率下滑至 47.27%(-7pct)。在本輪毛利率危機中,IPG 已完成全 產業鏈的布局,進一步對沖毛利率的手段相對有限。

3.5 國產激光器龍頭毛利率下滑后存在回升潛力

原材料維度:國產激光器高功率器件依然依賴進口

  • 銳科激光:中低功率器件基本實現自制,高功率器件依然依賴進口。(1)預計特種光纖自產率 40%左右,2018 年子公司睿芯光纖營業收 入 9524 萬元;(2)高功率泵浦源芯片依賴進口,國產化率不到30%;(3)高功率光柵等核心元器件依然依賴進口。
  • 創 鑫 激 光:光纖光柵、特種光纖和泵浦源芯片依賴進口。 n產品結構維度:有望進一步向產業鏈上下游延伸布局
  • 銳科激光:3kw 產品已經基本成熟,2018 年 6kw 和 12kw 高功率產品 開始批量供貨。
  • 目前銳科激光的產品線仍然以激光器為主,未來有望向激光器件(睿 芯光纖的特種光纖)、激光設備(與現有客戶非重疊的業務,如激光 清洗設備)等產業鏈延伸布局。

國產激光器龍頭銳科激光此時正在經歷第一輪毛利率危機,從以上角度 看 , 公 司毛利率依然 具備企穩回升的潛力。

四 、 激 光器件:高 功率器件仍具備國產化空間

4.1 特種光纖:激光器企業的核心競爭力

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,主要代表為美國 Nufern 公司。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,降低了原材料成本。

國內特種光纖市場規模不大。按照目前國內83億激光器規模,45%的毛利 率,84%的原材料成本占比,20%的特種光纖占比,特種光纖目前的市場規 模為 7.7 億元,其中 IPG 占據的一半市場份額中完全自產。國內激光器廠 商的特種光纖一般外購瀚宇光纖(代理商)為主。

睿芯光纖是銳科激光的控股子公司(控股 85%),2018 年營業收入 9524 萬元,同比增長150%,實現凈利潤 0.56 億元,同比增長300%。

4.2泵浦與激光芯片:976 路線升級可推動激光器降本

976nm 泵浦替代 915nm泵浦將有利于國產激光器降低成本。光纖激光器通 過增益光 纖(摻鐿 光纖) 實現從 泵浦光 到信號光 的能量 轉換。 摻鐿光 纖在 915nm 和 976nm 波段存在兩個明顯的特征吸收峰,915nm 波段吸收系數相 對較低,吸收譜較寬;976nm 波段吸收系數是 915nm 波段的2-3 倍,但 吸收譜相對較窄。976nm 波段泵浦的光光效率可達到85%,而 915nm 波段 泵浦的的光光效率為 75%。

976nm 泵源較高的光光轉換效率可以有效降低泵源的成本代價。以 1500W 光纖激光器為例,976nm 泵源相比915nm泵源高出約 10%電光效率,將直 接節約 235W的泵浦源功率,大幅度節約光纖激光器制造成本的同時,也 為光纖激光器的終端用戶節省了約11%的電力消耗費用。

目前國內主流的激光器廠商為 915 路線,高功率升級降本驅動 976 路線需 求。使用 915nm 波段的半導體激光器作為泵浦源,受益于 915nm 波段較寬 的吸收譜,激光器整機受溫度影響較小,在 915nm 波段增益有源光纖的吸 收效率低 ,為達到 整機光 纖激光 器更高 功率的輸 出,在 技術上 要求使 用更 高的 915nm 泵浦功率和更長的有源光纖。但是 915 路線面臨增益光纖非線 性效應、光光效率損失、熱管理難度增加、單位瓦數成本上升等諸多困 難。

國內激光芯片一級市場標的:長光華芯。2012 年成立,國內首家從事高功 率半導體 激光芯片 及相關 光電器 件和應 用系統的 研發, 擁有從 芯片設 計、 MOCVD(外延)、光刻、解理/鍍膜、封裝測試、光纖耦合、激光系統等 完整工藝 平臺和量 產線, 是全球 少數幾 家、國內 唯一一 家研發 和量產 高功 率半導體激光器芯片的公司。2018 年 7 月,完成 B 輪 1.5 億元融資。

4.3 激光晶體:壁壘高具有耗材屬性

非線性光學晶體變頻是獲取激光不同波長的主要方式。根據波長不同的劃 分,激光可分為紅外激光(波長范圍為 1mm~760nm)、可見激光(波長范 圍 760nm~380nm)、紫外激光(波長范圍 380nm~10nm),不同波長的激 光應用在 激光切割 、焊接 、顯示 、醫療 、武器、 紫外微 加工、 雷達、 通訊 等不同的領域,受益于半導體、PCB、OLED 產能擴張帶來激光加工設備 需求。

  • 工作原理:激光晶體由基質晶體和激活離子兩部分組成,基質晶體主 要是為激活離子提供合適的晶格場,激活離子是摻雜在基質晶體中的 化學元素離子。激光晶體中利用不同的激光離子可以產生不同波長的 激光,應用在不同領域。
  • 具有非線性光學效應:入射激光在非線性光學晶體中傳播時,通過多 倍頻會發生激光的頻率轉換,結果導致輸出的波長與入射激光波長不 同,從而產生新的波長。
  • 具有耗材屬性。激光晶體本身具有耗材屬性,一般適用壽命為 2~3 年,在轉換效率下降后需要及時更換。

從技術路線上來講,目前沒有其他晶體可以替代 LBO 和 BBO 的地位:目 前應用最廣泛的非線性光學晶體有 LBO、BBO、KTP,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 年代發明并獲得全球范圍 內的專利。(1)BBO晶體輸出激光波段擴展到了紫外,通過二倍頻、三 倍頻、四倍頻甚至五倍頻,能實現波長 1064nm 到 532nm、355nm、 266nm、213nm 的轉換;(2)LBO 除具有優良倍頻、三倍頻等功能外, 還有很高 的抗激光 損傷閾 值、激 光發散 角小等特 點,可 用于制 造大功 率、 高質量激光器;在高功率的 532nm 和355nm固體激光器制造領域,LBO 一直占據主導地位;(3)通過 LBO 倍頻輸出的紅、綠、藍三基色激光, 是實現激光顯示商業化的基礎。

從需求端看,激光晶體目前的增長點主要來自于 OLED 投資擴張周期帶動 的紫外激光器需求。全球 OLED 上一輪擴張周期發生在 2016~2017 年, 2017 年達到峰值236億美元,福晶科技 2016~2017 年收入連續保持 46%的 復合增速。DSCC預計 2018、2019 年分別為216、134 億美元,連續下 滑,同時 DSCC預計到 2020 年 OLED 設備市場將出現反彈,可望成長2倍到 109 億美元,帶動 2020 年整體面板設備投資規模來到186億美元,年 增 36%。

激光晶體領域的主要參與者包括福晶科技、美國貳陸、諾斯洛普-格魯門公 司、美國科學材料公司、激光材料公司、Raicol Crystals、EKSMA、Cristal Laser S.A、VLOC、Inrad、高意光學等。

4.4 激光控制系統:賣鏟人角色,監測下游需求的有效指標

激光切割控制系統是激光加工裝備的賣鏟人。2014 年以來,隨著 IPG 光纖 激光器技 術路線在 全球范 圍內的 成熟推 廣以及經 濟性拐 點的到 來,國 內陸 續涌現了 300~400 家激光加工裝備企業,尤其以切割設備為主。激光切割 系統以軟 件開發為 核心, 與板卡 、總線 主站、電 容調高 器等硬 件集成 后銷 售給下游客戶。

激光控制系統作為激光加工裝備的核心部件,充分受益激光裝備下游市場 的增長。根據 Industry Perspective 統計,截止到 2018 年,國內激光切割市 場規模達到 200 億元左右。

激光下游新場景應用的拓展將帶動激光控制系統的同步需求。一方面,目 前下游需求逐漸由激光切割向激光焊接、激光 3D 打印、半導體領域滲 透。另一 方面,激 光切割 控制系 統屬于 運動控制 系統行 業子分 類,下 游面 向更廣泛的工業機器人、機床、半導體、紡織機械、包裝機械等行業。2016年我國運動控制市場規模達到 62.46 億元,同比增長 8.7%,預計到2020年市場規模將接近 90 億元。

競爭格局與周期性:在激光切割控制系統市場內,柏楚電子、維宏股份、 奧森迪科市占率 90%。2017~2018 年柏楚電子收入分別為 2.1、2.45 億元, 增速對應 72%和 16.58%,凈利潤分別為 1.31 和1.39億元,增速對應 74% 和 6%,毛利率保持在81%左右,2018 年凈利率為57%,擬在科創板上 市。柏楚電子業績波動一定程度上體現了行業的周期性。

五 、 海 外篇:復盤 全球激光龍頭的成長路徑

5.1 激光裝備全球領先:德國通快

德國通快是全球激光裝備龍頭。1923 年以數控機床業務立業(業務類似于 現在的亞威股份),1973 年由機床業務延伸至激光沖裁復合機床業務,形 成了激光切割、激光焊接、激光切管機為業務的激光裝備業務。2008 年以4890萬美元收購激光器公司 SPI 進一步向激光產業鏈上游延伸,形成了業 務范圍覆 蓋機床、 激光器 與激光 加工設 備、電子 和電動 工具多 業務綜 合布 局的激光裝備企業。

2017/18 年度創歷史最好業績。 2017/18 年度收入規模 35.66 億歐元(+14.6%)。目前在手訂單 38 億歐元(+12.46%),實現稅前營業利潤 5.14 億歐元,同比增長增長 52.8%,營業利潤率 14.4%(+2.6pct),公司 人均產出 200 萬,研發占比 9.5%。其中分區域看,德國區7.19億歐元(+15.59%),中國區4.57億歐元(+13.11%)、美國區4.57億歐元(+5.46%)。

業績增長受益于兩大業務的快速發展:(1)德國通快聯合全球光刻機龍頭ASML為半導體行業開發出了一種二氧化碳激光系統,可利用 13.5nm 波長 的極紫外光加工晶圓,使芯片含有的晶體管密度達到 1 億晶體管/平方毫 米,每秒可加工 100多個晶圓,全球獨一無二;(2)激光 3D打印業務快 速發展。公司在 2003 年開始研發激光 3D 打印,2015 年推出 truprint 機 器,目前該團隊已經超過 200 人,為通快貢獻新的業績增長點。按照人均 產出 200萬人民幣的水平,已經產生 4 億人民幣的收入。

激光產業鏈全景分析報告
激光產業鏈全景分析報告

5.2 激光器全球領先:IPG

IPG 是全球光纖激光器龍頭。公司將光纖激光器技術從實驗室帶向產業 界,依靠包層側面泵浦技術與分布式目前壟斷了全球 60%以上的光纖激光 器市場份額。公司發展經歷了以下四大階段:

  • 技術儲備階段(1961~1990 年):創始人 Valentin P.Gapontsev 是第一 個將光纖激光器從實驗室帶向產業化階段的發明家;
  • 資本原始積累階段(1990~2002 年):IPG 以制造和銷售定制型玻璃與 晶體激光器、高溫用無線溫度計以及激光器部件起家,并在電信行業 積累了一定的資本。2002 年,電信行業資本開支下滑,公司投入所有 資金進行垂直化整合,攻克高功率光纖激光器,開發出單發射泵二極 管,力圖擺脫對上游供應商的依賴;
  • 資 本垂 直整 合期( 2006~2016 年) :上市后借助資 本市 場完 成一系列 并購整合,加大垂直整合力度;
  • 超 高功 率產 品快 速放 量期( 2016~現 在) :2016 年以來 陸續 向市場推 出具備經濟性的 6kw、8kw、12kw 等超高功率光纖激光器,過去八年 IPG 公司收入從 1.86 億美元增長到14.09億美元,復合增長率達到 29%。

2018Q3 歐洲和中國區市場開始持續下滑,持續到 2019Q1

  • 受 歐洲和中 國主要 經濟體經 濟承壓 影響,公 司收入 端從 2018Q3開始 惡化。公司 2018 年收入 14.6 億美元,其中占71%的市場歐洲和中國 區市場從 2018Q3 開始下滑。2018Q3~2019Q1,歐洲區分別下滑- 25%、-12%、-24%;中國區分別下滑-9%、-19%、-24%。其中 IPG 在 中國收入 6.29億美金(+1%),市占率49%。
  • 2019Q1公司收入延續前兩個季度的下滑趨勢 ,毛利率下滑 8 個 pct。 實現收入 21 億元(-12%,收入下滑來自于金屬切割和3D打印業 務),凈利潤 3.71 億元(-48.13%)。分區域看,中國、歐洲、日本、 美國銷量分別-24%、-24%、-20%,+65%。
  • 預估 2018 年 IPG6kw 以上中國區市場收入在 17 億元左右。在產品方 面,IPG高功率連續激光器的銷售額占總收入的 57%,同比下降22%;6 千瓦及以上的高功率光纖激光器占高功率連續激光器銷量的 50%(去年為 30%);萬瓦及以上的高功率連續激光器銷量同比增長40%。據此估算,IPG1kw 以上高功率57億元,6kw 以上 28.5 億元, 假設中國區占比 60%,為 17.1 億元。中國區83億市場結構中,6kw 及以上市場占比 20%。2018 年銳科激光 6kw 及以上預計收入為1億元 左右,市占率不到 6%,仍有較大替代空間。
  • 2019Q1主要激光器企業毛利率出現 大幅下滑,出貨結構和降價較大有 關。今年一季度主要激光器企業的毛利率下滑較多(IPG 環比下滑 7pct,銳科激光環比下滑 10pct)。


(報告來源:國金證券;分析師:王華君

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