福晶科技研究報告激光晶體領先光學元件升級

福晶科技研究報告-激光晶體領先光學元件升級1．公司概況公司原為福建晶體技術開發(fā)公司，于1990年由中科院福建物質結構研究所成立，并獲得LBO晶體的中國專利。1992年，公司首先開發(fā)成功Nd:YVO4和YVO4晶體，并開始批量生產。2001年，公司改制為福建福晶科技有限公司，并于2006年整體變更為股份有限公司。2008年3月，公司于深交所主板上市。2016年，對機構進行調整，組建晶體、光學和激光器件事業(yè)部，并于2019、2020、2021年分別獲ISO45001職業(yè)健康與安全管理體系、IATF16949汽車質量管理體系與CNAS實驗室認證。截至2022年9月30日，福晶科技總股本42750萬股，其中流通股42368.494萬股，占比99.11%；高管股190.753萬股，占比0.45%；有限售條件的股本為190.753萬股，占比0.45%。公司前十大股東合計持股比例為28.34%。中國科學院福建結構物質研究所為公司實際控制人，持股22.45%。此外，董敏持股2.03%，皇甫翎持股1.2%。福晶科技全資控股參股公司包括華晶投資、睿創(chuàng)光電、海泰光電等，新設子公司福建至期光子科技有限公司于2022年12月19日完成工商注冊登記。公司的主營業(yè)務屬于光電子產業(yè)中的信息功能材料行業(yè)，為非線性光學晶體、激光晶體、精密光學元件和激光器件的研發(fā)、生產和銷售，產品廣泛應用于激光、光通訊、半導體、AR/VR、生命科學、無人駕駛、檢測分析儀器等諸多工業(yè)領域。作為福建省高新技術企業(yè)之一，公司現已成為全球知名的LBO晶體、BBO晶體、Nd:YVO4晶體、磁光晶體、精密及超精密光學元件、高功率光隔離器、聲光及電光器件的龍頭廠商。技術方面，公司發(fā)展了熔鹽法、提拉法、水溶液法、坩堝下降法等多種晶體生長技術；擁有全息光柵、非球面數控研磨拋光、離子束拋光、磁流變拋光、大型雙拋、大型環(huán)拋等多條先進的超精密光學產線；以及IAD、IBS、MS、EB等各類鍍膜工藝，對不同細分市場的應用需求均有優(yōu)異的適配性。公司的檢測技術和設備也處于業(yè)界領先地位，擁有Zygo干涉儀、PE分光光度計、Trioptics中心儀等多臺檢測儀器。公司為激光器廠商提供關鍵元器件，主要產品和業(yè)務均處于激光產業(yè)鏈的上游，包括光學材料和光學元器件等各類核心部件。公司產品按形態(tài)可劃分為晶體元器件、精密光學元件和激光器件三大類，其中晶體元器件主要包括非線性光學晶體、激光晶體、磁光晶體等，核心產品處于行業(yè)領先地位。2015年以來，公司營業(yè)收入不斷上升，歸母凈利潤亦呈現總體增長趨勢。2016年至2017年，公司進入加速成長期，營收連續(xù)兩年實現近50%增長，主因固體紫外激光器在印制電路板、消費電子中脆性材料加工等應用領域的迅速擴展帶動了對晶體元器件的需求。近年來，受益激光器產業(yè)的快速增長與下游應用的不斷拓寬，公司精密光學元件、激光器件、激光晶體元器件等產品迎來快速增長，2021年實現營業(yè)收入6.89億元，較2020年增加1.42億元，同比增長26.03%；實現歸母凈利潤1.91億元，同比增長33.19%。2022年三季度，公司實現營業(yè)收入與歸母凈利潤6.06億元、1.87億元，同比增長11.25%、16.35%，主要得益于海外市場的增長、產品結構的進一步優(yōu)化和改善。公司的主要產品為非線性光學元器件、激光晶體元器件、激光光學元件及激光器件等。2022上半年，公司非線性光學晶體、激光晶體、激光器件與激光光學元件銷售收入分別占公司總營業(yè)收入的26.66%、17.13%、19.62%與33.53%，其中非線性光學晶體與激光晶體共同實現收入1.72億元，占全部主營業(yè)務收入比例為43.80%。從產品結構來看，非線性光學晶體毛利率穩(wěn)定在75%左右，為公司毛利最高的產品，近年來收入規(guī)模、增速均趨于穩(wěn)定。公司激光晶體營業(yè)收入逐年增加，2022年中收入同比增長28.37%。除受整體激光器產業(yè)的景氣度提振外，公司控股子公司海泰光電在光電醫(yī)美領域取得重大突破，激光脫毛儀的銷量增長導致海泰光電的盈利能力快速提升，從而帶來激光晶體部分收入的增長。此外，公司光學元件業(yè)務規(guī)模不斷擴大，并積極布局新興高端市場領域，2022上半年，實現同比21.73%的收入增長。2．非線性光學晶體技術全球領先2.1、公司非線性光學晶體市占率高非線性光學晶體（NLO晶體）是重要的光電信息功能材料之一，是指在強光作用下能產生非線性光學效應的晶體。作為激光技術的重要物質基礎，非線性光學晶體是激光器的關鍵材料之一，其主要功能是對激光波長進行變頻，從而拓展激光器可調諧范圍。非線性光學晶體產品種類眾多，且伴隨著新產品的不斷問世，技術仍處于不斷發(fā)展突破的階段。目前我國非線性光學晶體的主要產品種類包括鈮酸鋰晶體（LN晶體）、磷酸氧鈦鉀晶體（KTP晶體）、磷酸二氫鉀晶體（KDP晶體）、鈮酸鉀晶體（KN晶體）、偏硼酸鋇晶體（BBO晶體）、三硼酸鋰晶體（LBO晶體）等。從全球范圍來看，當前美國、日本、中國等國家是非線性光學晶體的主要生產國，我國在全球非線性光學晶體市場中競爭力較強，特別是在可見、紫外波段非線性晶體的研究方面一直處于領先水平?，F階段，國外已有的所有晶體生長方法我國均有，且?guī)缀跛兄匾姆蔷€性光學晶體都已研發(fā)出來。公司憑借技術集成優(yōu)勢等，是我國非線性光學晶體行業(yè)中的最大的企業(yè)，并已經成為全球知名的非線性光學晶體供應商，其代表性的非線性光學晶體主要有LBO、BBO和KTP三大品種。LBO晶體（三硼酸鋰）與BBO晶體（低溫相偏硼酸鋇）均為由中國科學院物質結構研究所于80年代發(fā)明的非線性光學晶體。其中LBO晶體具有透光范圍寬、離斷角小、損傷閾值高、接受角寬等特點，在醫(yī)用與工業(yè)用途的Nd:YAG激光、科研與軍事用途的高功率Nd:YAG與Nd:YLF激光、泵浦源等方面均有廣泛應用。BBO晶體作為一種紫外倍頻晶體，具有較大的相位匹配范圍以及較寬的透過波段，倍頻轉換效率比較高，并具有很高的激光損傷閾值，被公認為目前世界上最優(yōu)秀的二階非線性光學晶體，用于眾多非線性參量的應用。此外，KTP晶體具有優(yōu)良的非線性光學性能及電光性、優(yōu)異的機械性能、化學穩(wěn)定性和高的抗光損傷閾值，已作為一種商業(yè)化的晶體廣泛應用于中低功率密度的固體激光器、和（差）頻、光參量振蕩和放大等領域。利用KTP進行腔內與腔外倍頻的摻Nd晶體的激光器，在逐步取代可見光染料激光和可調藍寶石激光器。在許多的工業(yè)研究中，該種激光器被廣泛用做綠光光源。公司是全球最大的LBO、BBO晶體及其元器件的生產商，其LBO和BBO晶體市占率穩(wěn)居全球第一，2021年全球市占率約為80%左右。公司及其控股子公司海泰光電亦為全球較大的KTP晶體、Nd:YVO4+KTP膠合晶體制造商。2.2、固體激光器波長應用范圍廣泛激光器作為產生、輸出激光的設備，是激光及技術應用的基礎，亦是公司產品最主要的應用領域之一。它主要由泵浦源（激勵能源）、激光工作物質和光學諧振腔等三部分組成。泵浦源為工作物質提供能量、產生激光，主要種類有光能源、電能源等，如泵浦燈、激光二極管（LD）；激光工作物質則是能夠產生受激輻射的物質，是激光器的核心，如激光晶體、半導體、二氧化碳、液體等；而光學諧振腔由腔鏡等激光光學鏡片組成，能使受激輻射的光在光學諧振腔內多次往返、維持振蕩，并最終實現激光輸出。根據增益介質的不同，激光器可分為固體激光器、光纖激光器、氣體激光器、染料激光器、半導體激光器和準分子激光器等。此外激光器也可按照輸出波形、輸出波長以及功率的大小等標準分類。非線性光學晶體LBO、BBO及KTP主要作為倍頻晶體用于固體激光器的生產。固體激光器是以激光晶體等固體材料作為激光工作物質的激光器，具有激光質量穩(wěn)定、峰值功率高、結構緊湊、運轉可靠、使用方便等優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療、科學研究等各領域。固體激光器的泵浦源主要有燈泵浦、半導體激光器泵浦等方式；其中，以半導體激光器（激光二極管）作為泵浦源的固體激光器，稱為全固態(tài)激光器。相對于一般固體激光器而言，全固態(tài)激光器具有體積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定、可靠性好和壽命長等優(yōu)點，是固體激光器中發(fā)展速度較快的產品。LBO、BBO等晶體的非線性光學效應通過“變頻”豐富了激光波長范圍，有效拓寬了激光器的應用領域。由于激光器具有固定的工作波長，且激光工作物質種類有限，因此僅應用激光晶體元器件的激光器產生的激光，即基頻激光，應用領域十分受限。然而，在應用非線性光學晶體后，非線性光學晶體對基頻激光的倍頻、混頻作用可以使激光器得以發(fā)射多種波長的激光，豐富了激光的波長，從而滿足了人類對多種波長激光的需求，拓寬了應用領域。非線性光學晶體也因此而具有較大的商業(yè)價值。以增益介質作為分類標準，使用LBO、BBO、KTP等非線性晶體的激光器均屬于固體激光器范疇。固體激光器因其峰值功率高、脈沖能量大、并能夠通過非線性晶體將泵浦發(fā)出的紅外光轉換為綠光、紫外光、及深紫外光等多種短波長激光輸出等優(yōu)點，在軍事、加工、醫(yī)療和科學研究領域均有廣泛的用途。工業(yè)中，固體激光器作為改造傳統(tǒng)技術的重要途徑，廣泛應用于切割、打標、焊接、微加工等激光加工領域；在醫(yī)療領域，固體激光治療儀已廣泛應用于幾乎所有醫(yī)學?？?；在科研領域，則廣泛應用于激光等離子體、激光分離同位素、化學動力學等方面。以大功率半導體激光器（LD）為泵浦源的藍、綠全固態(tài)激光器，正在逐步取代部分傳統(tǒng)的氣體激光器。3．公司多條業(yè)務線適配光纖激光器3.1、TGG、TSAG應用于光隔離器公司生產的磁光晶體包括TSAG晶體、TGG晶體兩種，主要應用于光隔離器的生產，是光纖激光器的關鍵材料。作為光通信網絡中的重要元器件之一，光隔離器是一種無源光器件，利用法拉第旋轉的非互易性原理制造而成，可以讓激光只沿著一個方向發(fā)出，阻擋激光從相反方向通過。光的照射范圍廣、且會產生反射光，在激光器中，激光如果不按照既定方向發(fā)射，發(fā)射范圍過寬，傳輸效果將會降低，并且，反射的激光會對激光器中的其他元器件造成損壞，將會導致激光器無法穩(wěn)定工作。因此，在光纖激光器中，光隔離器起到避免光路中的回波對光源、泵浦源以及其他發(fā)光器件造成干擾和損壞、保證激光器穩(wěn)定工作、高效傳輸的作用，是應用在光纖激光器中的重要部件之一。磁光晶體具有磁光效應，在外加磁場作用下能呈現光學的各向異性，被用于制作法拉第旋光器與隔離器。TGG晶體具有大的磁光常數、低的光損失、高熱導性和高激光損傷閾值，廣泛應用于YAG、摻鈦藍寶石等多級放大、環(huán)型、種子注入激光器中，也用于制作法拉第旋光器與隔離器的磁光材料，適用波長400-1100nm

（不包括470nm-500nm）。而TSAG晶體是可見光和紅外波段的理想磁光晶體，具有維爾德常數大，化學、光特性極佳的優(yōu)點，適合高功率應用，主要用于400-1600nm的波長范圍。公司TSAG晶體產品獲得“維科杯·OFweek2020年度激光行業(yè)激光元件、配件及組件技術創(chuàng)新獎”，并成功推向市場。相比于TGG，TSAG具有更高的維爾德常數，具有較為優(yōu)異的磁光性能、高激光損傷閾值、低吸收損耗以及容易制備等優(yōu)點，且可使隔離器更加小巧便捷，是高功率下光隔離器的理想材料。目前，TGG晶體（鋱鎵石榴石）是光隔離器中最常用的磁光材料。隨著光纖激光器技術不斷進步，對光隔離器的性能要求不斷提高，磁光材料的各項性能參數要求隨之不斷提升，TGG晶體逐漸無法滿足需求，且具有生長過程中氧化鎵揮發(fā)分解、晶體螺旋生長、組分一致性差等問題，大尺寸、高均勻性生長方面還存在較大的困難，并且具有較高的光學吸收損耗，在高功率激光應用方面遇到瓶頸。相比之下，性能更優(yōu)的TSAG晶體因此被稱為“下一代光纖激光器的關鍵材料”，但由于該晶體存在原料成本高、應力大易開裂、大尺寸單晶生長困難等問題，從而限制了其應用領域。隨著下游光通信等領域對激光器的要求向超高頻、超高速、超大容量方向發(fā)展，TSAG未來應用比例有望持續(xù)提升。光通信器件市場中，光有源器件占據大部分的市場份額，占比約為83%，光無源器件市場份額占比約為17%。光隔離器的主要應用領域包括光纖激光器、光纖放大器、光纖CATV、相干光通信等。2020年，全球光隔離器市場規(guī)模約6.63億美元，且在不斷擴大，預計2025年接近7.6億美元，其中光纖激光器是其重要下游市場。2021年中國磁光隔離器市場需求超過5000萬只，行業(yè)內TOP4企業(yè)占據超七成份額，市場集中度相對較高。除用于生產光隔離器的TGG、TSAG兩種磁光晶體外，公司也主要為光纖激光器提供激光器件，如隔離器、調制器、偏轉器等。隔離器主要用于光纖激光器中保持光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止激光散射導致功率流失以及損壞器件；調制器可用于動態(tài)控制光的強度；偏轉器可用于控制光線在介質中偏轉的角度，從而控制光線角度。3.2、Nd:YVO4泵浦性能應用光纖激光器的結構類似于傳統(tǒng)的固體激光器、氣體激光器，主要由泵浦源、增益介質、諧振腔三大部分構成。其中，泵浦源一般為高功率的半導體激光器，增益介質為摻稀土元素的玻璃光纖，諧振腔由耦合器或光纖光柵等構成。由泵浦源發(fā)出的泵浦光通過一面反射鏡耦合進入增益介質中，隨之被稀土元素光纖的增益介質吸收。吸收了光子能量的稀土離子發(fā)生能級躍遷并實現粒子數反轉，反轉后的粒子經過諧振腔，由激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，釋放能量，并形成穩(wěn)定的激光輸出。最常用的光纖激光器泵浦為半導體激光器，又稱激光二極管（半導體泵浦固體激光器），是用半導體材料作為工作物質的激光器。公司生產的激光晶體之一：摻釹釩酸釔（Nd:YVO4）晶體作為一種性能優(yōu)良的激光晶體，適于制造激光二極管泵浦特別是中低功率的激光器。Nd:YVO4晶體與KTP等非線性光學晶體配合使用，能夠達到較好的倍頻轉換效率。公司的另一種相似產品：摻釹釔鋁石榴石

（Nd:YAG）晶體是最早和最著名的激光晶體，具有高增益、低激光閾值、高效率等優(yōu)點，是使用最廣泛的固態(tài)激光材料，應用于材料加工、焊接、切割及激光醫(yī)學系統(tǒng)等。因此，公司生產的產品可通過制造半導體泵浦，從而間接應用于光纖激光器的生產。在吸收系數方面，Nd:YVO4最大的優(yōu)勢在于更寬的吸收帶寬范圍內，具有比Nd:YAG高5倍的吸收效率，且能夠達到當前高功率激光二極管的標準。這意味著激光器生產商可以利用更小的晶體來制造體積更小的激光器，同時激光二極管可以用較小功率輸出特定的能量，從而延長使用壽命。除了較高的泵浦效率外，Nd:YVO4晶體在二極管的規(guī)格上提供了更大的選擇空間，將為激光器生產商節(jié)省更多的制造成本。另外，Nd:YVO4在1064nm和1342nm波長處具有較大的受激發(fā)射截面，因此連續(xù)輸出效率要大大超過Nd:YAG，這使得Nd:YVO4激光的兩個波長都可以更容易保持較強的單線激發(fā)。目前，Nd:YVO4激光器已在機械、材料加工、波譜學、晶片檢驗、顯示器、醫(yī)學檢測、激光印刷、數據存儲等多個領域得到廣泛的應用；同時Nd:YVO4二極管泵浦固態(tài)激光器正在迅速取代傳統(tǒng)的水冷離子激光器和燈泵浦激光器的市場。此外，激光二極管泵浦的Nd:YVO4晶體與LBO、BBO、KTP等非線性光學晶體配合使用，能夠達到較好的倍頻轉換效率。4．光纖激光器下游規(guī)模穩(wěn)步增長4.1、光纖激光器全球市場規(guī)?？焖僭鲩L根據工作物質的不同，激光器可被分為主要四大類：固體激光器、光纖激光器、氣體激光器和半導體激光器。其中固體激光器用途比較廣泛，在醫(yī)學、生物學、化學等領域均有需求，也可用于激光切割、焊接、鉆孔等工業(yè)應用。光纖激光器在工業(yè)加工領域中主要用于材料切割，光通信、傳感、軍事領域等也有涉及。氣體激光器主要在工業(yè)加工中起到切割材料的作用。半導體激光器在各類激光器中具有最佳的光電轉換效率（工業(yè)用可達45%，實驗室已達到70%），然而相對于光纖激光器，其光束質量稍差，所以很少用于切割，唯一能夠做切割應用的半導體激光器廠商是美國的Teradiode，已被松下收購。半導體激光器應用最廣泛的是打標、金屬的焊接、熔覆、硬化，以及塑料焊接等應用。在材料切割的工業(yè)領域中，光纖激光器與氣體激光器的使用較為廣泛，但二者的適用范圍不同，不能相互替代，而是共同存在。此外，光纖激光器與氣體激光器在材料成本、電力消耗、產生熱量、切割速度等方面也有其他差別。全球工業(yè)激光器市場規(guī)模呈現不斷擴大的態(tài)勢。2013-2020年，全球工業(yè)激光器市場規(guī)模從24.9億美元增至51.6億美元，CAGR為11.0%，其中光纖激光器市場規(guī)模從8.4億美元增至27.2億美元，CAGR為18.2%。近年來，全球工業(yè)激光器市場規(guī)模增長較為穩(wěn)定，2021年市場規(guī)模為53.5億美元，同比增長3.7%，2022年全球工業(yè)激光器市場規(guī)模有望達57.9億美元。同時，受激光材料加工的主要終端行業(yè)如微電子、汽車、一般鈑金加工的需求拉動，2021年全球工業(yè)激光系統(tǒng)市場規(guī)模達到213億美元，同比增長22%，激光需求出現回升。在工業(yè)激光器結構占比中，相比于半導體激光器、固體激光器和氣體激光器，光纖激光器憑借其較低成本、高功率等優(yōu)勢、及其不斷拓展的應用領域（如鈑金加工領域），在全球工業(yè)市場的占有率穩(wěn)定超過50%，2020年所占份額已達52.7%。長期來看，光纖激光器占比最高，由2013年的33.8%增長至2020年的52.7%；其次為固體激光器，2020年結構占比為16.7%。就地區(qū)而言，中國在激光系統(tǒng)市場增長方面發(fā)揮著重要的作用，在全球工業(yè)制造業(yè)中貢獻了很高的份額。作為迄今為止工業(yè)激光系統(tǒng)的最大市場，中國采用激光技術的程度與歐洲和美國相當。在國內市場，目前我國光纖激光器行業(yè)正處于市場高速增長期，規(guī)模從2016年的54億元增長至2020年的94.2億元，2021年達到125億元的市場總規(guī)模，2022年將會繼續(xù)增長至138億元，同比增加10.6%；未來或將成為全球市場增長的主要驅動力。根據龍頭公司銳科激光的數據，2021年光纖激光器人工成本占5.7%，制造費用占11.8%，直接材料成本占比82.5%；其中上游核心器件占據光纖激光器約80%的成本，包括泵浦源、特種光纖、光纖耦合器、傳輸光纜、功率合束器、光纖光柵等零部件等。因此，公司處于光纖激光器的重要上游材料行業(yè)中，隨著國內及全球的光纖激光器市場不斷擴張，以及光纖激光器在全球工業(yè)激光器結構占比的增加，光纖激光器將對上游的激光晶體、磁光晶體及激光器件等產品的市場需求起到正向帶動作用。4.2、通用制造及定制化市場促進下游需求激光設備市場的下游較為廣泛，從傳統(tǒng)加工領域到高端制造市場，各類激光器在工業(yè)、通信、醫(yī)療、科研、商業(yè)等領域均具有重要應用。2020年，中國激光設備約63%應用于工業(yè)加工領域，其中工業(yè)主要應用方向包括切割、打標、焊接等。在光纖激光器市場，根據國際龍頭企業(yè)IPG在2021年的收入結構分析，切割、焊接、打標為目前最主要的下游應用，且根據激光行業(yè)規(guī)模與下游特點，預估在激光切割、焊接、打標總體設備中約58%~71%是標準化程度較高的部分。因此，光纖激光器的下游應用可分為兩大部分：通用制造市場和定制化市場。通用制造市場指激光器應用于標準化程度較高的產品，包括一般鈑金加工、鋰電、光伏等領域；在這部分應用中，行業(yè)一般具有標準化需求，激光器國產化率較高。而對于下游行業(yè)較為明確的應用，即定制化市場，激光器產業(yè)為下游提供的定制化程度較高，如汽車、3C電子、醫(yī)療、航空航天等；在這部分應用中，市場的絕對規(guī)模與占比均較小，目前主要以進口激光器為主。4.2.1、通用制造標準化程度高作為光纖激光器通用制造中應用最廣泛且普遍的領域，激光切割、打標、焊接的市場規(guī)模穩(wěn)步擴大，保證了光纖激光器下游需求的穩(wěn)定增長。在激光切割領域，2021年市場規(guī)模達280億元，2016年到2021年CAGR為5%；其中標準化程度較高的一般鈑金切割設備占56%~76%，其余設備則應用于金屬、陶瓷、藍寶石、玻璃等的高精度加工，對產品定制化與精度要求較高。在激光焊接領域，2021年市場規(guī)模達67億元，2018年到2021年CAGR為25%。激光焊接的主要下游應用包括動力電池、汽車、消費電子、手持焊等，分別占據43.6%、35.8%、11.7%、8.9%，其中手持焊應用為偏標準化的應用。近幾年，激光焊接在動力電池、汽車、消費電子等精細微加工領域和航空發(fā)動機、火箭飛行器、汽車發(fā)動機等結構零部件高度復雜的尖端科技領域應用逐漸增多，滲透率將加速提升。2021年，中國激光焊接成套設備市場獲66.5億元收入，同比增29.9%，預計2022年將突破80億元。在激光打標領域，我國市場規(guī)模約90億元，2017年到2021年CAGR為2%。該領域終端應用豐富，在激光加工領域屬于最為成熟的領域之一，其中絕大多數為標準化的應用。4.2.2、3D打印快速增長光纖激光器除應用于切割、焊接、打標等傳統(tǒng)工業(yè)加工領域外，其定制化市場應用領域不斷拓展，激光醫(yī)療、激光雷達、激光顯示、激光檢測等新興激光應用正蓬勃發(fā)展，帶來了廣闊的行業(yè)增長空間。光纖激光器的新興應用領域之一為3D打印設備的生產，而3D打印作為科技發(fā)展和工業(yè)生產的前沿技術，正受到產業(yè)界的廣泛關注和政府的大力扶持，增長迅速，有望進一步擴大光纖激光器市場規(guī)模。3D打印指由三維模型數據驅動、利用逐層添加材料的方式直接制造產品的生產過程，工作原理與普通打印基本相同，區(qū)別在于打印材料不同。3D打印機的打印材料是金屬、陶瓷、樹脂等工業(yè)原材料，與電腦連接后，通過電腦控制3D模型實現打印材料的疊加。3D打印本質上為一種加工方式。制造技術可分為三種方式；在傳統(tǒng)制造方法中，“減材制造”指利用刀具或電化學的方法去除不需要的材料，“等材制造”主要指利用模具控型，將材料變?yōu)樗杞Y構的零件或產品。第三種方式則為近年來發(fā)展起來的3D打印技術，是用材料逐層累積制造物體的方法，也稱為“增材制造”。根據所用耗材和成型原理的差異，目前主流的3D打印技術可分為擠出熔融成型、粒裝物料成型、光聚合成型等三種類型；而每種類型按成型技術的不同又演化出多個種類。而按照打印耗材種類的不同，3D打印又分為非金屬3D打印技術和金屬3D打印技術（DMP）。其中，SLM、DMLS、EBM等屬于金屬材料3D打印技術，FDM、SLA、DLP、3DP等屬于非金屬3D打印技術。激光器為實現3D打印最精密的核心器件。3D打印用主流激光器包括紫外激光器、光纖激光器以及氣體激光器（CO2激光器），YAG激光器也曾被應用。根據成型材料的不同，3D打印機會匹配不同的激光器，然而隨著激光器制造行業(yè)的不斷發(fā)展，激光器與3D打印工藝的匹配也在不斷革新?，F階段光聚合成型技術普遍使用固體紫外激光器，粒狀物料成型技術則使用氣體激光器對非金屬材料進行燒結。在金屬材料打印領域，早期采用的二氧化碳激光器由于功率較高，已不再此領域應用，而隨著光纖激光器被逐步推向商業(yè)市場，YAG激光器的弊端也逐漸顯現出來。目前，雖仍有少量YAG激光器用于3D打印，但光纖激光器因其更高的電光轉換效率、更穩(wěn)定的性能，已占據絕大多數金屬材料打印市場，成為金屬打印發(fā)展的一大趨勢。金屬增材制造市場，即金屬3D打印市場，應用領域多元，近年來全球規(guī)模持續(xù)擴大。由于3D打印技術具有結構精密、整體性好、具有均勻的微觀結構等優(yōu)點，已廣泛應用于機械制造、建筑、醫(yī)藥、航空航天等諸多領域。根據中國增材制造產業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計，由于工業(yè)機械、汽車制造、航天航空等領域對于構件質量要求、定制化要求較高，因此，我國3D打印應用領域主要集中于工業(yè)機械、汽車制造、航天航空等領域，三者合計占比超過50%。金屬增材制造中SLM、EBM、LENS技術正逐步加大在航空航天領域中的應用，增長潛力較大。由于3D打印技術滿足航空航天零部件制造和研發(fā)的主要目標，且航空航天領域更加注重安全與性能、價格敏感度較低，在主要應用于飛機、飛船等精密零部件的設計與制造等方向，能夠縮短設計和測試航空發(fā)動機的時間，減輕零部件重量，提高燃料效率等。其中，SLM技術是近年航空航天領域快速發(fā)展的新型金屬增材制造技術。此外，3D打印也正在汽車、醫(yī)療等領域快速發(fā)展。作為最早的應用領域之一，3D打印在汽車工業(yè)的模型設計、復雜零件制造、整車模型制作等方面相比傳統(tǒng)工藝具有高精度、低成本、重量輕的特點，可滿足汽車零部件定制化需求。而醫(yī)療行業(yè)一直是3D打印技術主流應用領域，該技術可應用于齒科、骨科甚至活體器官制作。3D打印的全球及國內市場規(guī)模正逐漸擴大、穩(wěn)步增長。2021年全球3D打印產業(yè)規(guī)模達到152.44億美元，同比增長19.5%，過去四年平均增長率高達20.4%，其中，增材制造專用材料、裝備和服務總產值達到122.5億美元。預計2026年全球增材制造市場規(guī)模達445億美元。在國內市場，2017-2020年，3D打印規(guī)模逐年增加，且增長速度略快于全球整體增速，我國3D打印占全球的比重在不斷增加。2021年，中國3D打印產業(yè)規(guī)模增至261.5億元，同比增長34.1%；2022年產業(yè)規(guī)模將達到330.0億元，2024年將突破500億元。據國家統(tǒng)計局數據，中國增材制造規(guī)模以上企業(yè)由2016年的20余家增長至2021年的100余家，57%為工業(yè)級企業(yè)，43%為消費級企業(yè)，國內營業(yè)收入超過1億元的增材制造企業(yè)數量已超過40家。2021年我國增材制造企業(yè)營收約為265億元，近4年平均增長率30%。從產業(yè)結構來看，2021年3D打印設備占據近一半的市場份額，3D打印材料、打印服務市場分別占據24%、26.5%。此外，3D打印市場正在經歷從塑料打印到金屬打印的轉變。激光器是金屬材料打印過程中采用的關鍵零部件，因此，隨著3D打印整體行業(yè)的繁榮、以及金屬3D打印領域的發(fā)展，3D金屬打印設備市場規(guī)模將進一步擴張，進而帶動光纖激光器的發(fā)展。4.2.3、激光雷達引領智能駕駛進階4.2.3.1、車載激光雷達推動L3+級別智能駕駛激光雷達是以發(fā)射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)，其以激光器作為輻射源，是一種采用光電探測技術手段的主動遙感設備。通過向目標發(fā)射激光束作為探測信號，并將接收到的反射回來的信號與探測信號作對比，在一系列處理后，系統(tǒng)可以獲得目標的有關信息，如距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、形狀等參數，從而完成對目標的探測、跟蹤和識別。激光雷達系統(tǒng)主要由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理等部分組成。發(fā)射系統(tǒng)包括激光器以及光學擴束單元，發(fā)射波長在600-1550nm之間；接收系統(tǒng)則采用望遠鏡及各種形式的光電探測器組合。相較于毫米波、超聲波、攝像頭等傳感器，激光雷達的發(fā)射源具有能量密度高、方向性好的特點，大多數激光雷達的探測距離可達到100m以上，具有測距遠的優(yōu)點；同時，激光雷達具有分辨率高、受環(huán)境干擾小等優(yōu)勢，已廣泛應用于機器人、無人駕駛、人工智能、軍事、3D打印、VR/AR等眾多場景中。在汽車電子行業(yè)領域，隨著智能駕駛技術快速發(fā)展，激光雷達已經成為攝像頭、毫米波雷達等探測方式的重要補充，是諸多主機廠邁向自動駕駛的必需品，產品正從概念快速跨越至量產。在智能駕駛領域，傳感器需要滿足成本、探測距離、抗干擾性等綜合需求，而由于各類傳感器各有優(yōu)劣，因此“多傳感器融合”的技術方案已成為大部分智能駕駛系統(tǒng)的首選，通過有機融合完成更加優(yōu)異的探測表現。對于智能駕駛的感知層融合配制，市場上主要有兩大技術流派：攝像頭主導方案和激光雷達主導方案。“攝像頭主導方案”的感知系統(tǒng)由攝像頭、毫米波雷達組成，輕感知重算法，采用“攝像頭+算法”來模擬人眼與人腦的純視覺駕駛行為。該方案依賴大量的數據訓練來提高感知的精準度，在技術成熟度、成本等方面具備優(yōu)勢，但在精度、可靠性方面具有局限性，尤其應對汽車高速行駛等場景時，需要人為的大量干預。特斯拉為應用此方案的典型代表，在L2及以下的智能駕駛階段，該方案優(yōu)勢較明顯。而“激光雷達主導方案”的感知系統(tǒng)由激光雷達主導，攝像頭、毫米波雷達作為輔助，重感知輕算法，能夠實現三維的實時感知，避開了對算法和數據的高度依賴，在探測精度、可靠性和抗干擾能力等方面具備優(yōu)勢。該方案可以顯著提升智能駕駛系統(tǒng)的可靠性和冗余度，被認為是L3及以上智能駕駛的必備傳感器系統(tǒng)?！凹す饫走_主導方案”以Waymo、百度等無人駕駛型企業(yè)和蔚來、小鵬、理想等造車新勢力為典型代表。因此，隨著智能駕駛技術向L3進階，高精度、高可靠性的激光雷達將成為不可或缺的部件。在競爭格局方面，三大車載雷達分別為毫米波雷達、激光雷達與超聲波雷達。由于超聲波雷達主要應用于倒車輔助，無法形成環(huán)境圖像信息，因此僅能在自動駕駛方案中起到輔助作用。而作為兩種主流自動駕駛方案的主導探測雷達，毫米波雷達與激光雷達存在競爭替代關系。與較為成熟的毫米波雷達相比，車載激光雷達這一新興領域正在經歷高速成長，市場規(guī)模不斷提升。2022年中國毫米波雷達市場總規(guī)模86億元，同比增長24.6%，其中車載毫米波雷達擁有70億元規(guī)模，工業(yè)毫米波雷達、家用毫米波雷達分別為11億元、5億元市場規(guī)模。在激光雷達方面，2021年我國車載激光雷達市場規(guī)模為4.6億元，2022年達到16.0億元，預計2025年將增長至54.6億元，實現85.7%的年復合增長率。根據2022年市場規(guī)模數據可得，車載激光雷達與車載毫米波雷達在自動駕駛領域的比率約為16%、84%。4.2.3.2、半導體、光纖激光器用于激光雷達目前，激光雷達在測距原理、激光波長、收發(fā)元器件、光束掃描等部分均存在多重技術方案，因此產品形態(tài)多樣。根據不同的標準，激光雷達的主要種類。此外，按照線束來分類，即激光發(fā)射器的光源數，有16線、32線、64線、96線和128線及以上；按總體的技術結構來看，分為機械旋轉式、混合固態(tài)及純固態(tài)。MEMS、轉鏡等掃描方式均屬于混合固態(tài)的激光雷達掃描方式。Flash，OPA則為純固態(tài)技術。激光光源作為激光雷達的核心器件之一，其性能將直接影響整套雷達系統(tǒng)的性能。在激光光源的選擇過程中，需要綜合考慮實際應用環(huán)境、技術方案、性能需求、成本等因素；在車載激光雷達這一應用場景中，需要多種類型的激光光源來適應不同的道路環(huán)境。從性能角度出發(fā)，激光雷達的激光器應盡可能達到較高的發(fā)射功率密度，從而使同樣尺寸的器件實現更高的發(fā)光效率；同時，在光熱效應的作用下，溫度的變化會造成激光波長的微小漂移，為提升激光雷達的信噪比，激光器需要有較低的溫升和較小的溫漂系數。對于光束質量，即光斑的形狀和能量分布，最好是規(guī)整的圓形以便于測距。目前，激光雷達所用的激光器主要有三種類型：半導體邊發(fā)射激光器（EEL）、半導體垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）、光纖激光器。一般來說，905nm波長的激光雷達可選擇半導體激光器，其中EEL產品技術與體系較為成熟、功率密度高；而VCSEL則在光束形狀、光譜寬度、溫漂系數等指標上略勝一籌，且制造成本較低，配套的光學器件較為簡單、無需單獨調制。EEL因其較高的功率密度，在市場上仍占據主流地位，而目前禾賽科技與Lumentum已嘗試在AT128轉鏡式遠程雷達上搭載了VCSEL激光器，有望在市場上實現突破。在1550nm波段，需要采用銦鎵砷或磷化銦，而該材料所制備的半導體激光器的功率較低、無法滿足要求，因此該波段通常采用光纖激光器。與半導體激光器相比，光纖激光器的激光光束質量高、功率高，但成本較高。此外，固體激光器也是激光雷達激光器的一種，是閃光式車載激光雷達(FlashLiDAR)技術路線的激光光源方案。閃光式車載激光雷達是真正意義上的全固態(tài)激光雷達，然而目前用于車載的激光雷達中，主力仍為混合激光雷達。4.2.3.3、光纖激光雷達有望成為高端解決方案由于905nm波長的激光雷達普遍采用半導體激光器，而1550nm波長則對應著光纖激光器，因此激光雷達波長的選擇對于激光器的使用起到決定性作用。對于車載激光雷達來說，905nm波長與1550nm波長的比較需要綜合考慮安全規(guī)定、探測距離、抗干擾性、功耗與成本等角度。首先，車載激光雷達需要考慮到激光輻射的安全性問題，而影響安全性的是波長、輸出功率以及激光輻射時間共同作用的結果。由于強光在通過人眼晶狀體時會聚焦到視網膜上，從而會給視網膜帶來灼燒效果，對人眼產生一定的風險；而激光雷達905nm與1550nm的激光波長已經超出可見光波長范圍，因此，當高功率運行的激光雷達發(fā)出激光時掃射到人的眼球，將對人眼造成一定的傷害。出于保護人眼的原因，國際電工委員會（IEC）規(guī)定激光雷達的波長安全上限為900nm左右，這也意味著905nm波長的激光雷達在車載安全規(guī)定約束下僅能保持較低功率運行，安全峰值功率僅有6W。然而，波長在1400nm以上的激光在到達視網膜之前就會被眼球的透明部分完全吸收，從而避免對人眼的傷害，IEC的規(guī)定并不涵蓋1400nm以上的波長區(qū)間。因此，相比于905nm波長，1550nm波長的激光雷達人眼安全峰值功率有6×10^6W，能夠以905nm波長雷達40倍的功率運行，而提升功率可帶來更高的云分辨率、更遠的探測距離、對復雜環(huán)境更好的穿透力。相比905nm波長，1550nm波長的激光雷達可以實現更遠的探測距離。在高端測繪領域，1550nm波段在激光雷達的應用要早于905nm波段，因為1550nm激光雷達的光束發(fā)散角比905nm小得多。950nm激光器的發(fā)光面約為幾百微米，而1550nm光纖激光器的發(fā)光面僅有10微米左右，更小的發(fā)光面意味著光斑的遠場發(fā)散角可以抑制得越小。較大的發(fā)散角會導致光束照在遠處小物體上后返回的能量不夠大，從而導致探測不到，同時也會影響復雜場景下的點云精度。因此，1550nm波長的激光雷達相比905nm波長可以對遠距離的小物體完成更準確的測量，實現更遠的探測距離。一般來說，1550nm波長的激光雷達在10%反射率標準下的探測距離是250米，最遠探測距離可達500米；而950nm波長的激光雷達探測距離約為150米左右，一般不超過200米。目前車規(guī)級905nm激光雷達探測距離（10%反射率）約為150m，而1550nm激光器探測距離（10%反射率）約為250m，探測距離更遠，可提供更多安全冗余，正逐步獲得市場認可。在抗干擾方面，1550nm波長的激光雷達具有更加優(yōu)秀的表現。車載激光雷達需要應付各種復雜環(huán)境，如在逆光、雨雪霧霜等場景下，需要盡可能減少環(huán)境對探測準確性的影響。在抗日光干擾方面，由于1550nm波長的激光雷達采用光纖激光器，發(fā)出來的光能量密度高，亮度極高。激光雷達發(fā)出的光需要在亮度上超過外部的其他光源，才能抵抗后者的干擾，因此相較905nm激光器，1550nm光纖激光器的抗日光干擾能力更強。然而，由于1550nm波長的光更易被液態(tài)水吸收，在雨霧等天氣條件下，探測距離和探測能力會有所降低。針對雨霧天氣下這一問題，目前的解決方案是通過將激光器的功率提升來克服，不過功率的提高也會同時導致散熱難度加大、可靠性降低及壽命縮短等問題。在實際應用中，前視激光雷達遇到的“雨水”通常是“雨點”而非“雨簾”，而雨點幾乎不具備完全屏蔽1550nm激光的能力。面向前向的雨水，1550nm激光雷達和905nm激光雷達的探測差別并不明顯，而對于地面上成片的“水灘”，二者均會出現被致盲的情況。因此，在雨霧條件下，二者的抗干擾性相差不明顯。從大氣散射方面考慮，光的波長越長，光的穿透能力越強；因此1550nm激光雷達穿透力更強，抗干擾性也更優(yōu)越。1550nm波長的激光雷達擁有的更遠探測距離，是以其高功率作為代價的。905nm波長激光雷達典型功耗約為20W，而1550nm波長典型功耗約為30W以上，這是由于905nm半導體激光器光電轉換效率更高，約為40%左右，而1550nm光纖激光器由于其波長更長、激光器光纖耦合放大過程損失更多，光電轉化效率僅有12%左右。同時，更高的功耗也會帶來散熱問題。1550nm激光雷達的另一個缺點在于其成本較高。目前，用于激光雷達的1550nm光纖激光器單價約為上萬元，成本約為905nm半導體激光器的數倍，且使用的1550nm光纖激光器體積也很大。此外，1550nm激光器對應的接收傳感器的成本也比905nm更高。905nm波長的接收器可以用Si來做原材料，而1550nm波長所對應的光纖接受傳感器需要用到銦鎵砷材料，而這種材料的成本是Si的10倍，且目前無成本下降的趨勢。此外，如前文所述，為保證1550nm激光雷達的探測距離，激光雷達需要保持高功率運行，從而帶來較復雜的散熱問題，使綜合成本進一步上升。總結來說，在目前占主流的混合固態(tài)車載激光雷達領域，相比于905nm波長，1550nm波長的激光雷達從安全規(guī)定、探測距離、抗干擾性等性能方面均有更加優(yōu)異的性能表現；然而采用1550nm激光雷達將面臨更高的成本、更大的體積，高功率運行下的散熱問題也是光纖激光器的短板之一。目前，905nm激光雷達的技術集成度較高、供應鏈更為成熟，是車載激光雷達的主流波長選擇，在2021年第三季度約占69%市場份額；而1550nm激光雷達由于其高成本等原因，約占市場14%。通過比較1550nm的光纖激光器及905nm的EEL、VCSEL兩種半導體激光器，光纖激光器因其輸出功率好、光束質量高，是高性能系統(tǒng)的理想選擇，有望成為高端產品的解決方案。4.2.3.4、1550nm車載激光雷達落地目前激光雷達廠商的市場格局及應用車型，其中國際巨頭包括法雷奧

（Valeo）、Luminar、Innoviz、Ibeo、Velodyne等品牌，合計約占46%全球市場份額；國內領軍企業(yè)包括速騰聚創(chuàng)、大疆、圖達通（Innovusion）、華為以及禾賽科技等，合計約占26%，在全球范圍內占據較大市場份額；其中速騰聚創(chuàng)已成為國內排名第一的激光雷達廠商，全球市占率10%，僅次于28%的法雷奧，其生產的M1型號的激光雷達被各車企廣泛應用。從激光波長方面來看，采用1550nm方案的廠商包括Luminar、圖達通及華為，其余廠商均采用較為傳統(tǒng)的905nm激光雷達。目前L2級別的自動駕駛技術已經在電動車平臺廣泛搭載，滲透率逐年上升，在2021年達到22.2%；2022年作為L3技術的落地元年，由L2過渡至L3級智能駕駛系統(tǒng)的車輛增速加快，各車企紛紛布局L3智能駕駛。相比于目前廣泛應用于L2車輛的“攝像頭主導方案”，“激光雷達主導”方案在探測精度、可靠性和抗干擾能力等方面可以顯著提升智能駕駛系統(tǒng)的可靠性和冗余度，將推動L3及以上的自動駕駛快速發(fā)展。根據激光雷達出貨量數據，測算2025年全球車載激光雷達市場規(guī)模將達到約70.3億美元，至2027年有望達到129.7億美元。在高級輔助駕駛市場，預計至2025年全球乘用車新車市場L3級自動駕駛的滲透率將達6%，即每年近600萬輛新車將搭載激光雷達。按照沙利文預計，2025年高級輔助駕駛激光雷達市場規(guī)模預計將達到46.1億美元，2019年至2025年復合增長率達83.7%。在“激光雷達主導”方案中，承擔主要傳感任務的激光雷達每輛搭載數量在1到5顆之間。其中1