1、激光產(chǎn)生的三要素-泵浦源、工作物質(zhì)、諧振腔

激光，是一種受激輻射產(chǎn)生的光。從技術(shù)原理角度分析，激光產(chǎn)生的三個必要條件包括：粒子的受激輻射、反轉(zhuǎn)分布以及穩(wěn)定增益。

激光的理論基礎(chǔ)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個過程：在受激吸收過程中，物質(zhì)中處于低能級E1的粒子受到能量為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，處于高能級E2的粒子，受到能量同樣為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與入射光子具備完全相同狀態(tài)的光子。經(jīng)過這兩個過程，入射光子數(shù)量獲得成倍增加，光強(qiáng)增大，形成了光放大效應(yīng)。

基于受激輻射的特性，在持續(xù)有光子射入激勵的情況下，某些物質(zhì)中的粒子能夠在躍遷至高能級E2之后穩(wěn)定在次高能級E3，被稱之為亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)這些粒子大量堆積于亞穩(wěn)態(tài)E3并且數(shù)量遠(yuǎn)超過處于低能級E1的時候，就形成了物質(zhì)中粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布，使得受激輻射數(shù)量遠(yuǎn)大于吸收數(shù)量。

粒子形成反轉(zhuǎn)分布后，在激勵下不斷輻射出的光子通過諧振腔持續(xù)獲得增益，并在滿足條件后從諧振腔中射出。

基于這一系列反應(yīng)過程，入射光子最終形成同方向、同頻率的相干光束，使激光具備高亮度、高方向性、高單色性、高相干性的特點。

激光器是激光的發(fā)射裝置，基于激光的產(chǎn)生原理，其核心器件主要包括泵浦源、工作物質(zhì)和諧振腔三部分。

泵浦源（激光產(chǎn)生的動力源）：

泵浦源在激光器中承擔(dān)激勵源的功能，其目的是使工作物質(zhì)中的粒子處于反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)，由于受激輻射的光子數(shù)目與入射光子數(shù)目和物質(zhì)中粒子反轉(zhuǎn)分布數(shù)目成正比，通過泵浦源的持續(xù)激勵，工作物質(zhì)中就能夠輻射出大量特征狀態(tài)一致的光子，形成初始的激光。

根據(jù)激勵方式不同，泵浦源主要可以分為電激勵、光激勵、熱激勵和化學(xué)激勵，電激勵采用氣體放電或電流、電子束注入等方式進(jìn)行激勵，常見于氣體激光器、半導(dǎo)體激光器中；光激勵采用光源照射激勵，多用于固體激光器和液體激光器；熱激勵和化學(xué)激勵則通過熱能和化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行激勵，這兩種激勵方式比較少見，應(yīng)用于特定幾種激光器中。

工作物質(zhì)（受激輻射的主要對象）：

如果說泵浦源是激光產(chǎn)生的驅(qū)動力，那么工作物質(zhì)就是泵浦源的主要鞭策對象，驅(qū)使他源源不斷的輻射出光子。由于激光的產(chǎn)生需要物質(zhì)中粒子具備反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，所以就要求工作物質(zhì)存在亞穩(wěn)態(tài)能級，自1960年美國科學(xué)家梅曼發(fā)明世界上第一臺激光器至今，已經(jīng)有多種多樣符合條件的工作物質(zhì)被探索出來，按形態(tài)不同主要可以分為固體、氣體、液體和半導(dǎo)體。按照使用的工作物質(zhì)種類，激光器相應(yīng)的也被分為固體、氣體、液體、半導(dǎo)體激光器等。

諧振腔（激光的放大器）：

工作物質(zhì)通過泵浦源受激輻射出光子后，還需要經(jīng)過一道“增益”環(huán)節(jié)來使發(fā)射出的激光達(dá)到一定閾值，諧振腔就在激光器中承擔(dān)增益放大的功能。最基礎(chǔ)的諧振腔結(jié)構(gòu)可以理解為平行放在工作物質(zhì)兩邊的兩面不同的反射鏡，一面反射率為100%，一面則根據(jù)所需要的激光閾值部分透射。由于光強(qiáng)與光子數(shù)密度成正比，初始受激輻射產(chǎn)生的光子通過在諧振腔中來回振蕩不斷穿過工作物質(zhì)獲得持續(xù)放大，并最終達(dá)到符合要求的閾值。

在選用工作物質(zhì)相同的情況下，諧振腔和泵浦源就成為決定激光器發(fā)射光束的質(zhì)量、性能的關(guān)鍵所在，同時也是激光器的技術(shù)核心點。除此之外，激光器中還有耦合器、隔離器、調(diào)制器等起到調(diào)節(jié)光束方向、頻率等輔助作用的無源器件，共同組成一個完整的激光器裝置。

2、以光纖激光器為首的固體激光器器件占據(jù)市場主流

在激光產(chǎn)業(yè)鏈中，激光器件屬于激光器的上游零部件，從激光器全球市場看，光纖激光器、半導(dǎo)體激光器和全固態(tài)激光器占據(jù)主導(dǎo)地位，其中光纖激光器占全球激光器規(guī)模的近40-50%，傳統(tǒng)的CO2激光器由于功率和轉(zhuǎn)化率限制市場份額呈逐年下降趨勢，而液體激光器由于性能原因在實際應(yīng)用中更加少見，所以相應(yīng)的在器件市場中，以光纖激光器為首的固體激光器用器件占據(jù)主流。

特種光纖：特種光纖是光纖激光器的關(guān)鍵原材料，相比于普通光纖在摻雜元素、工作波長、結(jié)構(gòu)和光學(xué)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）和大芯徑傳能光纖，YDF主要用作光纖激光器的工作物質(zhì)，通過在光纖纖芯中摻雜稀土元素使其實現(xiàn)光放大效應(yīng)；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；大芯徑傳能光纖則用于泵浦源、合束器和光纖激光器的輸出端，起到激光傳能的作用。

特種光纖的整體市場規(guī)模較小，2017年全球市場規(guī)模約為4億美元，國內(nèi)約不到8億元，美國的Nufern、nLight，德國的萊尼等公司以領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢處于龍頭地位，國內(nèi)的主要供應(yīng)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(lǐng)域已實現(xiàn)超過50%的國產(chǎn)替代，高功率場景仍具有一定技術(shù)差距。

除了光纖激光器之外，其他的固體激光器主要采用各種不同的激光晶體作為工作物質(zhì)。

激光晶體：激光晶體由基質(zhì)晶體和激活離子兩部分組成，激活離子是摻雜在基質(zhì)晶體中的化學(xué)元素離子，激光晶體中利用不同的激光離子可以產(chǎn)生不同波長的激光。目前應(yīng)用較廣泛的激光晶體包括LBO、BBO、Nd:YAG和Nd:YLF等。其中，LBO和BBO是中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所在20世紀(jì)80年代發(fā)明并獲得全球范圍內(nèi)的專利。

激光晶體的國外供應(yīng)商有美國的II-VI、VLOC，立陶宛的EKSMA等，國內(nèi)龍頭供應(yīng)商為福晶科技，是全球最大的LBO和BBO晶體供應(yīng)商。

泵浦源：光纖激光器的泵浦源主要采用半導(dǎo)體激光器，也被稱為激光二極管，針對使用YDF作為工作物質(zhì)的光纖激光器，對應(yīng)泵浦源的輸出波長主要為915nm和976nm。

915nm半導(dǎo)體激光器由于技術(shù)門檻較低且對工作溫度不敏感已經(jīng)成為中低功率光纖激光器（1500w以下）的主流選擇，而對于高功率光纖激光器（1500w以上），976nm半導(dǎo)體激光器由于高吸收率和光光轉(zhuǎn)化率成為國內(nèi)外企業(yè)的突破重點。國外主流廠商Dilas、IPG、Lumentum已大規(guī)模轉(zhuǎn)向976nm產(chǎn)品，國內(nèi)多數(shù)相關(guān)廠商則只具備芯片封裝技術(shù)，僅有長光華芯等少數(shù)幾家公司擁有自主設(shè)計能力。目前長光華芯的976nm半導(dǎo)體單管激光芯片已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，輸出功率包含12、13w，平均光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到60%。而國外龍頭Dilas的976nm單管產(chǎn)品輸出功率能夠達(dá)到60w，光電轉(zhuǎn)換效率相對比較接近。

固體激光器按照泵浦方式不同可以分為燈泵浦固體激光器和二極管泵浦固體激光器，其中傳統(tǒng)的燈泵浦固體激光器由于較低的轉(zhuǎn)化效率和使用壽命已經(jīng)被市場逐步淘汰，二極管泵浦與光纖激光器泵浦方式類似，只是輸出波長、功率等參數(shù)指標(biāo)存在區(qū)別。

諧振腔：光纖激光器的諧振腔由光纖光柵構(gòu)成，光纖光柵是一種通過一定方法使光纖纖芯的折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制而形成的衍射光柵，可以簡單理解為存在于光纖中的反射鏡。目前光纖光柵的高端技術(shù)基本被加拿大的TeraXion壟斷，該公司產(chǎn)品耐受泵浦功率可以達(dá)到3kw，國內(nèi)的供應(yīng)商長飛光纖產(chǎn)品的耐受泵浦功率已經(jīng)能達(dá)到2kw，實現(xiàn)中高功率光柵國外壟斷的突破。

3、從下游激光器降本訴求看激光器件的格局演變

在工業(yè)生產(chǎn)中，激光加工相比于傳統(tǒng)加工具有高質(zhì)高效、節(jié)能環(huán)保等許多優(yōu)點，然而激光器高昂的價格讓許多中小廠商望而卻步，延緩了整個激光行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。對于激光器廠商來說，降低成本可以提高其產(chǎn)品毛利率、市場競爭力，加速市場滲透。由于激光器生產(chǎn)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。

從國內(nèi)外激光器龍頭廠商的動向來看，其降低成本主要有兩種方式：第一是提高核心器件的自供比例，第二是由進(jìn)口器件切換為性價比更高的國產(chǎn)器件。

國外激光器龍頭公司經(jīng)過多年的發(fā)展基本完成了從核心器件到激光器集成的技術(shù)突破和全產(chǎn)業(yè)布局。根據(jù)國內(nèi)光電產(chǎn)品導(dǎo)購平臺光電匯的數(shù)據(jù)，2012-2016年，全球光纖激光器龍頭IPG 10w-2000w的產(chǎn)品均出現(xiàn)不同程度的降價，尤以10w-30w的低功率產(chǎn)品為甚，從7-12萬元不等下降至3-6萬元，降價幅度接近50%。

對應(yīng)來看IPG的發(fā)展歷史，2010年以來，IPG陸續(xù)收購了PhotonicsInnovations、Optigrate等一系列擁有光隔離器、光耦合透鏡、光纖光柵等器件技術(shù)的廠商，進(jìn)行向產(chǎn)業(yè)鏈上游的縱向整合。同時，公司通過自主研發(fā)掌握了晶圓生長、泵浦源、有源光纖等核心器件技術(shù)，通過自研+整合完成了從器件到激光器集成的全自供。從其官方披露的數(shù)據(jù)看，2009年至2017年，公司激光芯片產(chǎn)量由不到30萬片上升至超過900萬片，同時每瓦特芯片成本累計下滑80%，年均降幅達(dá)到18%。

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(dǎo)體激光器龍頭Dilas和全球最大的特種光纖和光纖激光模塊廠商N(yùn)ufern并整合了Corelase、m2k Laser等高功率光纖激光器和半導(dǎo)體激光器公司，完成了從半導(dǎo)體泵浦源、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(chǎn)業(yè)布局。2016年，Rofin被美國相干公司收購，使其成為全球最大的激光器和光電子產(chǎn)品解決方案提供商。

國內(nèi)供應(yīng)商銳科激光、創(chuàng)鑫激光近幾年的原材料采購比例也在逐年下滑。根據(jù)銳科激光的招股說明書，2015-2017年，公司有源光纖、無源光纖、泵浦源等核心光學(xué)器件的采購比例由79.24%下降至65.43%。從創(chuàng)鑫激光的招股說明書來看，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(nèi)進(jìn)行采購或自主生產(chǎn)，已經(jīng)實現(xiàn)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(zhuǎn)變。

另一方面，國內(nèi)光庫科技、福晶科技等一系列國產(chǎn)激光器件供應(yīng)商的出現(xiàn)實現(xiàn)了大部分無源器件的國產(chǎn)替代。光庫科技主要供應(yīng)隔離器、合束器、耦合器等光電子器件，2018年公司實現(xiàn)銷售收入2.89億元，其中國內(nèi)收入占比53.67%，國外收入占比46.33%。以晶體材料起家的福晶科技同時也供應(yīng)精密光學(xué)元件和激光器件，2018年公司實現(xiàn)銷售收入4.91億元，其中激光器件和精密光學(xué)元件合計占比約40%，國內(nèi)收入占比41.25%，國外收入占比58.75%。

國產(chǎn)激光器件產(chǎn)量和市場規(guī)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幅度達(dá)到70%，有源光纖達(dá)到45%，無源光纖達(dá)到48%。2016-2018年，創(chuàng)鑫激光的原材料采購價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%。

從市場競爭看，銳科、創(chuàng)鑫激光等國內(nèi)廠商的入局打破了國外供應(yīng)商價格壟斷的局面，市場份額占比上，IPG在中國的市場份額從2015年的73%下降至2018年的49%，相對應(yīng)的銳科和創(chuàng)鑫的市場份額則在逐年上升。產(chǎn)品價格上，2015年，創(chuàng)鑫激光輸出功率20w的光纖激光器，售價為1.75萬元，銳科為1.8萬元，而IPG同類型的激光器售價則高至3-5.8萬元，幾乎達(dá)到國產(chǎn)激光器價格的兩倍。

在下游激光器廠商的降本訴求影響下，激光器件的產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)兩個方向的演變趨勢：

其一，隨著激光器龍頭廠商的產(chǎn)業(yè)鏈縱向整合，泵浦源、工作物質(zhì)、諧振腔等核心器件廠商基本都被收購兼并，以提高其激光器產(chǎn)品的綜合競爭力。

其二，技術(shù)含量、市場價值均較低的輔助無源器件產(chǎn)業(yè)出于成本考慮則從歐美發(fā)達(dá)國家向中國等亞洲新興國家轉(zhuǎn)移，市場競爭進(jìn)一步激烈。

在這樣的格局演變下，激光器件公司只有上浮和下沉兩條出路，上浮指的是專注于具有高技術(shù)門檻的高功率激光芯片、光纖光柵等高端產(chǎn)品；下沉則是指其提供的器件具有極強(qiáng)的成本優(yōu)勢和高性價比，能夠抵御中低端產(chǎn)品的激烈市場競爭。中國的光庫科技、福晶科技利用本土人力成本優(yōu)勢和資源優(yōu)勢有望在激光無源器件的國際競爭中勝出。

4、案例分析

4.1、長光華芯-實現(xiàn)高功率半導(dǎo)體激光芯片國產(chǎn)化

蘇州長光華芯光電技術(shù)有限公司是國內(nèi)少數(shù)幾家具備高功率半導(dǎo)體激光芯片自主研發(fā)能力的高科技公司。公司正式成立于2012年，依托中科院長春光機(jī)所的技術(shù)支持，目前擁有激光芯片、器件、光纖耦合模塊、陣列、直接半導(dǎo)體激光系統(tǒng)五大類產(chǎn)品，其中激光芯片是另外四類產(chǎn)品的核心基礎(chǔ)，應(yīng)用于工業(yè)泵浦、激光通信、激光裝備、3D傳感、生物醫(yī)學(xué)、科研等領(lǐng)域。

公司董事長、總經(jīng)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(jīng)理等職務(wù)，具有豐富的行業(yè)經(jīng)驗和資源積累。常務(wù)副總經(jīng)理兼CTO王俊先后在nlight、Spectra-Physics等公司領(lǐng)導(dǎo)參與多項高功率半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，技術(shù)底蘊(yùn)深厚。公司研發(fā)技術(shù)團(tuán)隊中碩士博士占比超過50%，曾承擔(dān)國家“863”、“973”等多項重點研發(fā)計劃。

截至目前，公司已獲得三輪融資，天使輪發(fā)生于2012年4月，投資方為蘇州華豐投資、英鐳光電和奧普光電；A輪發(fā)生于2016年9月，投資方為武漢達(dá)潤投資和東湖創(chuàng)投；B輪發(fā)生于2018年8月，投資方為國投創(chuàng)業(yè)、中科院創(chuàng)投和蘇州橙芯創(chuàng)投，金額1.5億元。B輪融資完成后，公司下一步會繼續(xù)提升高功率半導(dǎo)體激光芯片和模塊的產(chǎn)能，并開展VCSEL激光雷達(dá)芯片的研發(fā)以及直接半導(dǎo)體激光器的量產(chǎn)和應(yīng)用。

公司的高功率激光芯片產(chǎn)品包含巴條芯片和單管芯片兩類，976nm的單管芯片最高輸出功率達(dá)到13w，805nm的巴條芯片最高輸出功率達(dá)到300w。此外，公司的直接半導(dǎo)體激光系統(tǒng)最高功率已經(jīng)能達(dá)到1kw，相比于光纖激光器尺寸更小、光電轉(zhuǎn)化效率更高、成本更低，未來功率進(jìn)一步提升后在工業(yè)加工領(lǐng)域競爭優(yōu)勢巨大。

4.1、光庫科技-國產(chǎn)激光無源器件先驅(qū)

珠海光庫科技股份有限公司成立于2000年，是一家從事光纖器件的設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及服務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)。公司產(chǎn)品種類豐富，產(chǎn)品線包括隔離器、環(huán)行器、合束器、WDM、光纖光柵等全系列光無源器件，被廣泛應(yīng)用于光纖激光、光纖通訊、航天航空、傳感探測等領(lǐng)域。2017年3月，公司于創(chuàng)業(yè)板上市，目前股價為38.7元，總市值34.96億元。

2000-2007年，順應(yīng)光通訊行業(yè)在國內(nèi)的迅速發(fā)展，光庫科技以光通信器件起家；2007年，公司內(nèi)部出現(xiàn)管理問題，海歸學(xué)者王興龍博士帶著硅谷的技術(shù)專家回國作為聯(lián)合創(chuàng)始人接管公司并重新組建團(tuán)隊。同年，公司產(chǎn)品線開始向光纖激光器件拓展。

2008年至今，依托王興龍、張大鵬等美國硅谷背景的激光及光通訊行業(yè)優(yōu)秀人才和激光專家姚建銓院士為首的技術(shù)顧問團(tuán)隊，公司光器件產(chǎn)品逐步向高性能、高可靠性發(fā)展，在中高功率器件散熱技術(shù)、光纖端面處理技術(shù)、保偏器件對位技術(shù)等方面處于國際領(lǐng)先水平。2013年，公司為“嫦娥三號”登月項目提供了其激光三維成像敏感器內(nèi)所用的光無源器件，體現(xiàn)了公司產(chǎn)品的較高技術(shù)水平。2018年，公司以1.45億元收購加華微捷，拓展有源光器件產(chǎn)品線，進(jìn)軍數(shù)據(jù)通訊市場。

經(jīng)過將近20年的發(fā)展，在技術(shù)研發(fā)上，公司建有廣東省光電器件工程技術(shù)研究中心，擁有廣東省院士專家企業(yè)工作站、博士后科研工作站分站等創(chuàng)新平臺，并與中國科學(xué)院、天津大學(xué)、香港科技大學(xué)等科研院所開展多項項目合作，2018年成功研發(fā)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(chǎn)品；在客戶拓展上，憑借公司產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢和先發(fā)優(yōu)勢，公司已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的知名品牌之一，客戶包括德國通快、相干、大族激光、銳科激光、杰普特等國內(nèi)外主流光纖激光器廠商，以及Finisar、Lumentum、中際旭創(chuàng)等知名光通訊企業(yè)。

隨著高功率光纖激光器在工業(yè)加工領(lǐng)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(jīng)取代光通信器件成為其主要收入來源。2018年，光纖激光器件實現(xiàn)銷售收入1.98億元，毛利率51.41%，占公司營業(yè)總收入的68.55%，光通信器件實現(xiàn)銷售收入0.55億元，毛利率33.69%，收入占比則從2014年的35.76%下滑至18.98%。由于光纖激光器件精密度高，客戶需求復(fù)雜，為保證產(chǎn)品的精度、高速高效和可靠性，此類器件的定制化比重較高，要求很高的制造工藝和經(jīng)驗積累，所以產(chǎn)品附加值較高，毛利率相比于光通訊器件能保持較高水平。另外，相比于已經(jīng)進(jìn)入成熟期的光通訊市場，光纖激光器件行業(yè)正處于快速成長階段，國內(nèi)激光的工業(yè)加工需求近幾年實現(xiàn)爆發(fā)性增長，在宏觀環(huán)境影響下，光纖激光器件的國產(chǎn)替代趨勢明顯。