高端装备业投资热点——激光

陈玉柱

2010年10月18日，《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中将节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车作为“十二五”期间中国经济发展的战略性支柱产业，并以此带动中国产业结构升级，改变中国经济发展模式，驱动中国经济持续健康增长。作为七大战略性新兴产业之一的高端装备制造业因其技术先进、对国民经济的支撑作用带动作用最大、成长潜力大、处于产业成长初期而备受投资界青睐。本文通过对激光的剖析从一个侧面为投资界探究高端装备制造业中的投资机会。

激光（laser）又称“镭射”，原意为受激辐射产生的光的放大，其理论基础源于1917年爱因斯坦提出的技术理论——光与物质相互作用。在现代社会中，由激光衍生出的各种激光器已经成为装备制造业中不可或缺的元部件，激光及其产品已经成为一个庞大的产业并迸发出勃勃生机。

通常所说的激光器是指用来产生激光的装置，其基本原理是用光、电、化学能或核能等对工作物质进行激励，工作物质吸收外来能量实现粒子数反转，产生受激辐射，经放大或增益后产生强度高、方向性强的激光。激光器的基本结构包括激励源（也称激励抽运系统、泵浦系统）、具有亚稳态能级的工作物质，此外为使光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性，一般激光器都具有谐振腔。

激光器产业链

目前以激光器为基础的激光工业在全球的发展势头非常迅猛，现已广泛应用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育、科研等方面。激光行业已形成完整、成熟的产业链分布。上游主要包括激光材料及配套元器件；中游主要为各种激光器及其配套设备；下游则以激光应用产品、消费产品、仪器设备为主。

总体而言，激光器自大规模商业应用以来市场一直稳步增长。2009年，受金融危机的影响，全球工业激光器行业受到重大挫折，全球工业激光器销售总额降至14亿美元，比上年下降30%。随着2010年后全球经济的渐渐复苏，受固态激光器以及光纤激光器在半导体、太阳能、医疗设备、显示、LED、航空航天、汽车等行业两位数的增长的带动，激光器行业出现了销量和收入的急剧反弹。2012年，该行业销售回升至历史最高的21亿美元，实现了“鱼钩式”反转。激光系统的销售趋势与激光器类似。

以CO2激光器为代表的气体激光器仍占据行业中的半壁江山，但增长已开始放缓，以Nd：YAG激光器为代表的固体激光器增长平稳，而近年来势头迅猛的光纤激光器则实现了两位数的增长，其他种类的激光器所占的市场份额仍然较小。

在应用规模上，金属加工仍然是激光器运用最广泛、销售最多的领域，占整体销售规模的70%。2011年激光器在该领域的销售收入达到了13.5亿美元。其次是激光打标和激光雕刻，为3.3亿美元。最后是半导体和微加工领域，达到1.47亿美元。

金属加工行业使用的激光器中，CO2激光器仍然占据统治地位，销售占比达到了67%。但2011年大功率光纤激光器在金属加工领域中的占比比2010年有大幅度增长，挤占了固体激光器的份额。

半导体和微加工市场中的激光器销售在2011年增长了23%，主要用于印刷电路板钻孔、太阳能电池刻蚀、对智能手机显示屏的加工和通讯元器件的焊接，大多数设备集中安装在亚洲市场。这一领域应用的主要为中小功率激光器，因此在大功率应用上占有优势的气体激光器和光纤激光器并没有绝对优势，固体激光器和半导体激光器也得以广泛使用，其中属于固体激光器类的超快脉冲激光器（UFP）以年均翻一番的速度快速增长。

在激光打标/雕刻领域，据统计，2011年全年全球共安装了超过22000台固体激光器和光纤激光器以及11000 台CO2激光器，产品的主要市场在亚洲。光纤激光器继续从二极管泵浦固体激光器中抢占市场份额。2011年光纤激光器的销售额同比增长34%，而固体激光器的销售额仅增长4%。2011年半导体激光器的销量约为1300台，主要分布在微加工和打标行业。

其他应用主要是指激光器在添加制造、表面处理、热处理、快速制造中的应用。2011年该类别的销售收入为1.27亿美元，不算是一个大市场，其主要的销售业绩（43%）是由固体激光器所垄断，预计将在未来几年内会被光纤激光器取代。

整体装机率方面，东亚市场以34%的激光器及系统安装率超过了先前的市场领导者欧洲（30%）。中国是该地区的工业激光系统的主要用户，占东亚地区所有装置比例估计高达85%。

主要应用技术

激光可用于各种金属和非金属材料的切割。由于切边受热影响很小，激光切割基本没有工件变形。激光切割具有无毛刺、无皱折、精度高的优点，因此明显优于等离子切割，同时由于激光切割工件变形极小，无刀具磨损，不受被切材料的硬度影响，更优于传统切割。对许多机电制造行业来说，由于微机程序控制的现代激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件，它往往比冲切、模压工艺更被优先选用。尽管其加工速度慢于模冲，但它没有模具消耗，无须修理模具，节约了更换模具时间，从而节省了加工费用，降低了生产成本。

激光切割主要应用于汽车行业、计算机、电气机壳、各种金属零件和特殊材料的切割、航天工业使用的钛合金等。目前主要使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器、光纤激光器。

激光焊接由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。而高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域，以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业部门获得了日益广泛的应用。

与其他焊接技术比较，激光焊接的主要优点是：激光焊接速度快、深度大、变形小。能在室温或特殊条件下焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。激光聚焦后，功率密度高，在用高功率激光器焊接工件时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。例如，金刚石锯片，用激光将基材（65Mn）和高强超硬的人造金钢石焊接，使这种锯片寿命、价值倍增。可进行微型焊接，激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精密定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型元件的组焊中。例如，集成电路引线、钟表游丝、显像管电子枪组装、手机电池的封焊等。采用激光焊不仅生产效率可大大提高，且热影响区小，焊点无污染，从而大大提高了焊接的质量。而且还能焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。近几年来，由于在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广与应用。激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。目前广泛用于激光焊接的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体激光器。

由于激光具有高能量、高聚焦等特性，激光打孔加工技术广泛应用于众多工业加工工艺中，使得硬度大、熔点高的材料越来越容易加工。

与传统打孔工艺相比，激光打孔机具有以下优点：速度快，效率高，打一个孔的作用时间只有0.0001至0.000001秒。在不同的工件上激光打孔与电火花打孔及机械钻孔相比，效率可以提高l0～1000倍；可获得大的深径比；可加工硬、脆、软等各类材料；无工具损耗，等。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体激光器。

激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，通过表层物质的蒸发露出深层物质，或者是通过光能导致表层物质的化学物理变化而“刻”出痕迹，或者是通过光能烧掉部分物质，显出所需刻蚀的图案和文字。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小从毫米到微米量级，这对产品的防伪有着特殊的意义。激光打标使用的“刀具”是聚焦后的光点，不需要额外增添其他设备和材料，加工由计算机自动控制，生产时不需人为干预。

激光打标的特点有：非接触加工，可在任何规则或不规则表面打印标记，且打标后工件不会产生内应力；材料适用面广，可在金属、塑料、陶瓷、玻璃、纸张、皮革等不同种类或不同硬度的材料上打印；可与生产线上的其他设备集成，提高生产线的自动化程度；标记清晰、持久、美观，并可有效防伪；使用寿命长、无污染；加工效率高，计算机控制下的激光光束可以高速移动（速度达5～7米/秒），打标过程可在数秒内完成。激光打标在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体激光器。

激光雕刻和激光打标的原理类似，但一般而言，激光打标机工作面小，属于微加工范畴，在精度和效果方面的要求高于激光雕刻机。激光打标机可以加工金属材料，针对的行业比较专业，设备价格通常远高于激光雕刻机。激光雕刻机不适合加工金属材料，且工作面大，工作行程长，精度要求相对较低。目前已有兼顾雕刻和打标功能的大型打标机，但价格很高。

激光雕刻一般指的是在非金属材料上进行雕刻或切割。激光雕刻按雕刻方式的不同分为点阵雕刻和矢量切割。点阵雕刻酷似高清晰度的点阵打印。激光头左右摆动，每次雕刻出一条由一系列点组成的一条线，然后激光头同时上下移动雕刻出多条线，最后构成整版的图象或文字。与点阵雕刻不同，矢量切割是在图文的外轮廓线上进行。一般雕刻机可雕刻的材料有：木制品、有机玻璃、金属板、玻璃、石材、水晶、氧化铝、皮革、树脂、喷塑金属等。

激光热处理是利用高能激光照射到金属表层，通过激光和金属的交互作用达到改善金属表面性能的目的。激光表面热处理技术包括激光相变硬化技术、激光涂覆技术、激光合金化技术、激光冲击强化技术等，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。激光相变硬化〔即激光淬火〕是激光热处理领域研究最早、最多、进展最快、应用最广的一种新工艺，适用于大多数材料和不同形状零件的不同部位，可提高零件的耐磨性和疲劳强度。激光合金化和激光涂覆是利用高功率激光束快速扫描金属工件表面，使一种或多种合金元素与工件材料表面一起快速熔化再凝固，共同形成硬化层。激光表面合金化技术是材料表面局部改性处理的新方怯，激光冲击强化使用脉冲宽度极短的激光照射到材料表面，可以产生高强度冲击被，使得金属材料的机械性能改善，阻止裂纹的产生和扩展，提高钢、铝、铁等合金的强度和硬度，改善其抗疲劳性能。激光热处理技术在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用比国外广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。

激光微调技术可对指定电阻进行自动精密微调，精度可达0.01%～0.002%，比传统加工方法的精度和效率高，而成本低。激光微调包括薄膜电阻（0.01～0.6微米厚）与厚膜电阻（20～50微米厚）的微调、电容的微调和混合集成电路的微调。

激光去重平衡技术是用激光去掉高速旋转部件上不平衡的过重部分，使惯性轴与旋转轴重合，以达到动平衡的过程。激光去重平衡技术具有测量和去重两大功能，可同时进行不平衡的测量和校正，效率大大提高，在陀螺制造领域有广阔的应用前景。对于高精度转子，激光动平衡可成倍提高平衡精度，其质量偏心值的平衡精度可达1%或千分之几微米。

激光划线技术是利用激光器作为光源，经过一组透镜组合整合后发射出高准直度的点状光源，在经过特制棱镜打散后形成一条亮度均匀的光线。由于采用特殊设计的棱镜扩散光线，有效避免了采用普通柱镜扩散光线后产生光线两端光弱、中间光强的缺点。

激光制版技术是把聚焦的激光束射向印版，把印版的指定范围熔化，然后去除不需要的部分，制出凸、凹的图像，图像的形状、大小、尺寸等可由电子调制来控制。

激光防伪技术是通过激光制版，将影像制作在塑料薄膜上，产生五光十色的衍射效果。并使图片具有二维、三维空间感。在普通光线下，隐藏的图像、信息会重现；当光线在某一特定角度照射时，又会呈现新的图像。这种模压全息图片可以像印刷一样大批量快速复制，成本较低，且可以与各类印刷技术相结合使用。

近十年，中国激光产业增长迅速，年增长率在15%左右，几乎比国外高出一倍。但行业缺乏整体规划，整个产业发展相当无序。技术上看，大功率激光器发展迅速，已经打破国外产品的垄断，武汉光谷科威晶已研发出10000W大功率轴快流CO2激光器，功率仅次于德国通快产品，居世界第二位。国内半导体激光器、全固态激光器也有长足进步。国内一些科研机构和企业已经研制出包括光纤激光在内的新的激光技术和产品。国内有些高校还对碟片激光器的研究开展了工作。

在产业分布上，中国激光产业主要集中在武汉、广东、上海、北京等地，已基本形成以上述省市为主体的华中、环渤海、长江三角洲、珠江三角洲四大激光产业群。其中，武汉光谷是国内仅次于北京中关村的第二大智力密集区，园区内与激光产业相关的企业达200多家，拥有华工科技、楚天激光、武汉锐科、光谷科威晶等大批业内领军企业，年度总收入超150亿元，稳据中国激光加工设备市场一半份额，成为中国激光产业最重的一极。

行业规模上，国内激光加工设备市场行业规模迅速发展，增长维持在20%以上。2010年，市场规模突破55亿元，2011年市场规模在60亿元以上，其中大功率的激光设备产值约占七成，低功率的激光设备占三成左右。2001至2010年，该行业的复合年均增长率为21.7%，呈现出稳定、高速增长的态势。预计“十二五”期间，中国激光加工设备行业市场规模年均增速将超过20%，市场规模有望突破130亿元。

投资重点关注领域

作为目前最为活跃的激光光源器件，光纤激光器是在EDFA（Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，掺铒光纤放大器）技术基础上发展起来的，属于激光技术的前沿领域。

光纤激光器的研究始于上世纪60年代，在80年代取得实用性突破。目前，美国IPG公司是世界最大的光纤激光器供应商，其产品涵盖30KW以内连续光纤激光器和100W以内脉冲光纤激光器，占全球约85%的市场份额，2010年该公司实现销售额约3亿美元。英国SPI公司的产品涵盖400W以内连续光纤激光器和40W以内脉冲光纤激光器，占全球10%的市场份额。此外，国际各主要工业激光器制造商，如通快Trumpf、Rofin以及GSI等都相继推出了自己的光纤激光器产品。

国内光纤激光器的研究开展得较晚，但近几年来取得了较快发展。从销售额和市场情况看，光纤激光器最大的市场在千瓦级以上的应用。目前二维钣金切割是千瓦级光纤激光器的主要应用，国内大功率切割机市场每年有近两千台的需求。高功率激光的焊接和其他应用的市场潜力更大。根据预测，国产千瓦级的工业光纤激光器会在一年之内进入市场，并有望在两年内占据中国市场60%的份额，而且该领域会呈现激烈竞争的态势。

激光快速成型技术也称为“3D打印”，原理是用CAD生成的三维实体模型，通过分层软件分层，以每个薄层断面的二维数据来驱动控制激光光束，扫射液体、粉末或薄片材料，加工出符合要求形状的薄层，逐层积累最后形成实体模型。

3D打印技术流派

3D打印目前处于技术发展早期，即将进入市场爆发的时刻。据统计，2010年全球3D打印设备市场规模达13.25亿美元，其中服务收入为6.51亿美元，2011年3D打印设备销售额为17.14美元，同比增长29%。个人3D打印机销量呈爆发式增长，销售额从5987台猛增至23265台，增幅达289%。2011年工业3D打印系统占比迅速提升至24%。亚太地区中国和日本是主要的市场。3D打印面临着迅速增长的市场需求，有机构预测，到2015年全球市场规模将超过30亿美元，2019年将超过60亿美元。

中国科技部编制并印发的《新型显示科技发展“十二五”专项规划》（以下简称《专项规划》）重新定义了激光显示产业的战略地位，在“十二五”期间中国将大力发展激光显示和3D显示为代表的下一代显示技术。《专项规划》明确了新型显示科技“十二五”发展的经济指标：“十二五”时期产业链新增产值5000亿元/年，建立规模化示范基地7个、工程化示范基地10个；激光显示产值100亿元/年，产量50万台/年；3D显示产值3700亿元/年，形成3D电视、3D显示器、3D投影产业集群，建立3D电影院体系；有机发光显示产值300亿元/年，年产能1.5亿片；电子纸显示产值30亿元/年，产量1000万片/年；移动互联网终端显示产值1000亿元/年。

激光显示以激光为光源，充分利用了激光波长可选择和高光谱亮度的特点，因此显示图像具有更大的色域，其色域覆盖率可达荧光粉的2倍以上，可以达到人眼所能识别色彩空间的90%以上，而且具有很高的色饱和度。

据了解，显示产业是年产值超过千亿美元的战略性新兴产业，是信息时代的先导性支柱产业，产业带动力和辐射力强。随着电子消费产品的更新换代，中国显示产业转型升级的需求非常迫切。激光显示被认为是“一次显示领域的革命”，具有每年500亿美元以上的市场前景。Sony、三菱电气、精工爱普生、三星、德国欧士朗等国际产业巨头正在加紧激光显示技术和产品的研发。

目前，国际激光显示技术已发展到产业化前期阶段，核心材料与器件的工业化生产和配套产业的完善以及争夺先期市场成为当前发展的重点，未来3～5年将是全球激光显示技术产业化发展的关键时期。

国际跨国显示企业已经开始扮演激光等新型显示概念推广者的角色。2005年，索尼公司斥资在爱知世博会上建起了一个有500平方米巨幕的巨大激光影院，2006年三菱推出了40英寸激光电视样机，2007年索尼再次高调推出了60英寸激光电视样机，松下、日立、东芝、爱普生、三星等企业也都传出积极研究激光电视、激光投影产品的消息。