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【亿科智库】顾波博士:如何领跑激光发展的黄金时代
令狐小冲 2018-07-21
导语

顾波博士回顾了中国激光行业的发展历程,详细分析了行业面临的机遇与挑战,并展望了智能制造时代,激光行业未来5-10年的发展之路。

编者按:本文来自CIOE中国光博会对顾波博士的采访记录,经e科编辑整理,原文链接:http://www.sohu.com/a/242202943_613224

本文作者顾波博⼠,玻⾊光⼦公司创始⼈兼总裁,亿科创新青年科学家智库特邀专家。国际光学⼯程学会会⼠(SPIEFellow)和美国光学学会会⼠(OSAFellow)。现任中国光学学会副秘书长和中国光学学会激光加⼯专业委员会副主任。美国⿇省理⼯⼤学,浙江⼯业⼤学,和华南师范⼤学特聘教授。中国激光产业⾼峰论坛的创办者和主持⼈。曾担任美国西部光电展(Photonics West)激光会议⼤会主席和激光3D打印会议创始主席。曾任IPG Photonics亚洲区董事总裁兼中国区总经理。

顾波博士在激光与光电领域近三⼗年的专业⽣涯中,发明了许多世界领先的新型激光器,包括超快激光材料掺钛蓝宝⽯,超稳定固体激光器,第⼀代光刻准分⼦激光器等。开发了许多世界第⼀的激光技术在工业中的应用,特别是超快和紫外激光技术在微电⼦领域中的应⽤,其中⼤部分研发成果最终成为产品。发表有关激光技术和应用的论文140余篇,获得57个激光技术领域的美国、欧洲和世界专利和60个专利申请,并研发出30多种新型激光器及其工业加工系统的产品。许多产品⾄今仍在全球各地的工厂运行。

在IPG Photonics任职期间,顾波博士全⾯负责其亚洲和中国的业务。以不到四年的时间,将光纤激光技术⼴泛应⽤在汽车制造,轨道交通,钣⾦加工,⽯油天然⽓输线管道,航空航天,和包括iPhone在内的消费电⼦等领域,营业额超过10亿⼈民币,取得了90%的市场。⾸次将万⽡级光纤激光器推⼊核工业设备焊接和激光3D打印领域,促进了国家的⾼端制造技术的发展,⼤⼤推动了光纤激光技术在中国以⾄全世界的应⽤,是光纤激光技术在中国广泛应用的开拓者。


一、激光产业的发展现状

2017年全球激光器的市场规模为124亿美元,预计2018年将增长到130亿美元以上;⽬前中国激光器市场的规模⼤约为600亿⼈民币。很显然,单从市场规模来看,相比于电⼦、半导体、汽车等行业,激光器⾏业的规模较⼩,似乎有些微不足道。但是激光技术的应用却几乎覆盖了人们生产和生活的各个领域,从汽车制造、动力电池、到手机制造、航空航天、医疗器械乃至安防军事等几乎我们能想到的所有领域,都活跃着激光技术的身影。如今与激光相关的产品和技术服务已经遍布全球,形成了丰富和庞⼤的激光产业。它已经渗透到各⾏各业,形成了较为完备的产业链分布。

产业链上游主要包括光学材料及元器件,中游主要为各种激光器及其配套装置与设备,下游则以激光应⽤产品、激光制造装备、消费产品、仪器设备为主。⽽且对很多⾏业⽽⾔,激光技术已经成为⼀种不可或缺的⽀撑技术(Enabling Technology)。因此激光⾏业本⾝的市场规模虽小,但它却是驱动智能制造业发展的一大核心力量,其重要性不言而喻。

我国激光产业经过几十年的努力,已经建成了⼀个完整的产业链。我国激光加⼯产业按区域,可划分为四个产业带:珠江三⾓洲(30%)、长江三⾓洲(20%)、华中地区(24%)、和环渤海地区(13%)。这四个产业带的侧重原本有所不同,珠三⾓以中低功率激光加工设备为主,长三角以高功率激光切割焊接设备为主,环渤海以高功率激光熔覆设备和全固态激光器件为主,以武汉为首的华中地区则覆盖了大多数的高、中、低功率激光加工设备。

随着多个省市地区将光电⼦产业作为地⽅重点规划和发展⽅向,国内激光加⼯产业带的边界正逐渐变得模糊。随着中国制造“2025”和“⼀带⼀路”战略的深⼊实施,制造业对⾃动化、智能化⽣产模式的需求⽇益增长,中国激光产业也逐渐驶⼊⾼速发展期。受益于消费类电⼦、新能源、PCB电路板等加⼯设备的需求旺盛,在经过2016年增速放缓后,激光成套加⼯设备市场迎来全⾯爆发。2017年全⾏业的市场销售收⼊增长率超过25%,⼏家龙头企业的收⼊增幅更是突破40%。2017年⼯业、信息、商业、医学和科研领域的激光设备(含进⼜)市场销售总收⼊⾼达495亿元,较2016年同⽐增长了28.6个百分点。据预计,2018年中国激光设备市场销售总收⼊有望突破600亿元。光纤激光器正在成为⼯业激光市场中的主力。2013-2017年间,低功率光纤激光器(<100W)在中国市场的销售稳步快速增长,特别是2017年⽐2016年的销量增长了⾼达75%,另外还有⼀个特别明显的现象,就是国产光纤激光器已经占据了国内近九成的国内市场份额。中国的激光产业正在为国家的产业升级和经济发展作出它应有的贡献。

二、中国激光⾏业的发展机遇及挑战

国家的⼗三五计划和中国制造2025的发展战略是中国激光⾏业发展的最好机会。⼗三五计划中最重要的⼗⼤领域,都需要激光和光电技术的应⽤和⽀撑。中国制造2025的核⼼是智能制造,⽽智能制造的核⼼之⼀是光电和激光技术。因此,激光⾏业本⾝的市场规模虽小,但它却是驱动智能制造业发展的一大核心力量,其重要性不言而喻。

在激光加⼯⽅⾯,⾼功率激光焊接设备在重型⼯业如汽车、钢铁、航空航天、⽯油化⼯等应⽤领域稳固拓展。中低功率激光智能化设备在移动设备和其他消费电⼦产品的市场增长迅猛,⽬前已被⼴泛⽤于PCB电路板、半导体、电⼦封装、触摸屏、玻璃、蓝宝⽯衬底、陶瓷材料以及其他微电⼦产品的加⼯处理。值得⼀提的是,清洁能源生产正发展为激光精密加工应用的另一大趋势,包括太阳能光伏面板、高效LED照明、锂电池储能、轻质复合材料如应用于汽车领域的碳纤维复合材料等都存在大量的激光应用市场。种种迹象表明,激光加⼯企业与所在区域其他产业的合作也变得越来越紧密。当前国内OLED⽣产线步⼊建设⾼峰期,⼀批激光加⼯设备⼚商已开始布局⾯板修复和切割设备,并与京东⽅、华星光电等主力⾯板⼚商展开合作。

在激光器⽅⾯,国内光纤激光器市场呈现爆发式增长,国产低功率短脉冲光纤激光器在激光标记市场已占据主导地位,⽽国产中⾼功率超短脉冲光纤激光器发展态势良好。随着半导体芯片外延生长、封装、合束、掺杂等技术日趋成熟,半导体激光器芯片有望在3D打印、激光雷达、激光制导、多维光谱学等领域得到更广泛的应用。超快激光器很可能在未来3-5年内全⾯爆发,随着它性价⽐的不断提升,⼀些⾼附加值精细加⼯领域正越来越容易接受超快激光器。在医疗领域,超快激光器还被应⽤于屈光度矫正等眼科⼿术;在⽣物成像领域,超快激光器还被⽤于活体深部组织超声成像,最近开始被应⽤于光遗传学领域以及其他新的应⽤。

另⼀个值得关注的是激光显示与激光电视领域。从海信激光电视销量的⾼增长可以看出,激光显示光源的出现已经成为我国投影设备引领⾏业升级发展的重要契机,虽然以LED和OLED为主流的显示技术产品仍然占据⼤部分市场,但激光显示弯道超车已经不是⼀个遥不可及的梦。在国家政策的⼤力⽀持下,激光显示技术势必将在商教、⼯程、家⽤等⽅⾯⼤展拳脚。

智能化和中国制造2025将给激光界带来红利。随着转型升级,有很多战略新兴产业,如电动汽车及其动力电池行业,以智能手机为代表的移动终端行业,以及机器人产业,面临着爆发式增长。激光技术和光电⼦技术将与其⼀起成长。巨⼤的市场机会,预示着激光技术的黄⾦时代已经到来!

未来制造业中,不再仅仅将“硬件(激光产品)”⽣产视为制造业,⽽会由“软件(服务或解决⽅案)”在制造业中不断发挥主导作⽤,商品产⽣的服务或解决⽅案将对制造业的价值带来巨⼤影响。未来的制造业需要放弃传统的“硬件式”的思维模式,⽽要从软件、服务产⽣附加值的⾓度去发展制造业。软件、服务在整个制造业价值链中所占的⽐重越来越⼤,呈现显著的增长趋势。未来制造业企业向顾客提供的不再是单纯的产品,而是各种应用软件与服务形态集成于体的整体解决方案。

激光产业要在完成本⾝⼯业智能化升级的同时,还要帮助实现整体⼯业智能化的升级。要逐步实现产品的智能化——把传感器、处理器、存储器、通信模块、传输系统融⼊到各种产品中,使得产品具备动态存储、感知和通信能力,实现产品的可追溯、可识别、可定位,并且朝产品零故障⽬标前进。激光产业要把⽣产过程智能化。生产的智能化的本质是在重组客户、供应商、销售商以及企业内部组织的关系,重构⽣产体系中信息流、产品流、资⾦流的运⾏模式,重建新的产业价值链、⽣态系统和竞争格局。

我们完全可以相信,在不久的将来,⼀批新型的激光公司将随着⼯业智能化的深⼊⽽应运⽽⽣。

三、激光技术5-10年的未来发展之路

激光技术作为⼯业制造领域的⼀股核⼼驱动力量,本⾝也在不断向前发展。总结来说,激光技术正在向着“更高、更好、更短、更快”这四⼤⽅向发展。

更高:激光器的功率越来越高,平均功率已经超过30万⽡。2013年,第⼀台商⽤的10万⽡级光纤激光器在⽇本名古屋NADEX中⼼安装,⽤于焊接300mm厚的钢板。激光切割应⽤也向着更⾼的功率发展,激光切割机的功率持续⾛⾼,已经达到20kW。

更好:激光器输出的光束质量越来越好,光纤激光器的光束质量已经达到10万⽡级单模。在过去的⼀年中,光纤激光器、碟⽚激光器、直接半导体激光器的亮度都有⼤幅度提升。

更短:激光器的输出波长覆盖更短的波段,短波长激光器已经⼴泛应⽤。很多先进的制造⼯艺都需要冷加⼯,例如在智能⼿机制造中,很多时候需要⽤短波长、短脉冲的紫外激光来处理。短波长激光已经在表⾯标记、半导体晶圆加⼯、钻孔、切割等领域获得了⼤量应⽤。

更快:激光器的脉冲速度越来越快,超快激光器取得了快速发展,已经凭借着更简单的结构、更⽅便的操作、更低廉的成本和更稳定的性能,⾛出实验室进⼊⼯业应⽤中。

未来五年内,市场增长最快的将是直接半导体激光器和量⼦级联激光器,由于全球对反恐、安保的巨⼤需求,量⼦级联激光器将⼤有作为。光纤激光器将⼀直保持其稳健的增长,并已经成为⼯业激光市场的主力军。国产高功率光纤激光器已经日趋成熟,估计1到3年左右将有巨⼤市场突破。激光器正朝着智能化、高功率、高光束质量、高可靠性、低成本等方向发展。从激光器的应⽤市场来看,占据半壁江⼭的是光通讯市场,紧随后⾯的宏观材料加⼯和微观加⼯市场,未来随着制造业不断向⾼端发展,宏观和微观加⼯市场都将拥有很⼤的成长空间。

四、未来市场的亮点

5G技术的采⽤和智能识别在移动终端的应⽤:将带来巨大的市场。

激光清洗:在微电⼦、建筑、核电站、汽车制造,医疗、⽂物保护、钢铁除锈和模具去污、汽车制造、建筑等领域拥有巨⼤市场空间。

激光雷达:未来五年激光雷达市场将稳步增长,市场增长的主要驱动力来⾃于⽆⼈机、⾃动驾驶的汽车、机器⼈、军事及安全等领域。

激光照明:将进⼊汽车照明和安全照明两⼤市场。激光照明的⼀部分市场是汽车激光照明,主要是汽车头灯。宝马、奥迪等知名汽车制造商都采⽤了激光照明系统。另⼀部分市场是安全激光照明,如为夜晚环境中骑⾏的⼈们提供警示性标识。

激光焊接:激光焊接将⾸先在动力电池和汽车制造,轨道交通和飞机制造,农业机械和造船等领域铺开,这将是⼀个巨⼤的增长点。

金属3D打印市场:⾦属3D打印也即增材制造。2016年,SLM系统的销量超过1000台,其中使⽤的激光源主要是光纤激光器,功率范围30W到1kW。3D打印的精细度也越来越⾼,打印出的精细结构的分辨率已经达到微⽶量级。

激光精密加工和微细加工:将是另⼀个未来的增长点。其在电⼦、半导体、通讯、光存储、微机械制造、⽣物、环境等⾏业进⼀步推⼴和使⽤,将为传统加⼯⽅式创造前所未有的可能性。在这⾥,超快激光器将随着精密加⼯和微细加⼯的市场的扩⼤⽽迅速增长。

激光加⼯的⾃动化、集成化和智能化⽔平持续提⾼,在与⼯业机器⼈结合的基础上,实现三维的焊接、打标、切割等多维加⼯,激光技术的适⽤性和应⽤领域不断拓展。

五、未来展望

新型的激光技术和应⽤将不断涌现。激光技术在⼯业中的应⽤将替代传统的加⼯技术⽽变得更为⼴泛;随着性价⽐和稳定性的提⾼,超快激光正在成为⼯业激光器,其应⽤市场将要井喷;⾼功率切割正向万⽡级光纤激光器发展;⾼亮度直接半导体激光器将会替代⾄少部分固体激光器的应⽤领域;激光3D打印发展迅速,虽然许多关键问题有待突破,但发展势头良好;光⼦和电⼦结合,将产⽣下⼀代半导体光电技术;光电⼦技术必将成为下个30年经济发展的⽀撑技术

世界正处于新⼀轮技术创新浪潮引发的新⼀轮⼯业⾰命开端,中国激光产业已经步⼊新⼀轮的跨越发展阶段。在政策和资本的推动下,⼀些重量级的跨国、跨行业并购也有望在激光产业拉开⼤幕。随着国家传统产业的技术升级,产业结构调整,节能环保等政策的推出以及产品个性化需求趋势的发展,智能光制造势必将在更多的领域扎根和普及。只要创新不断,中国的激光产业市场前景⼗分看好,智能化和中国制造2025将带来激光界的红利。

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作者 令狐小冲

博士生

清华大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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