1 引言
激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,缩写LASER）,是指窄幅频率的光辐射线通过受激反馈共振与辐射放大产生的准直、单色、相干的定向光束。激光技术起源于20世纪60年代初期,是20世纪与原子能、半导体、计算机齐名的四项重大发明之一。随着高端装备制造业的兴起,传统制造业逐步迈向“光制造”时代。激光技术以其高精度、高效率、低成本等优势,在全球范围内得到广泛应用
[1]。
60年来,由于特性优势,激光逐渐在人类社会的生产生活中发挥作用。如今,激光技术已经渗透到工业、商业、信息、医疗、科研、军事等多个领域,与激光相关的产品和服务已经遍布全球,形成了较为完备的产业链分布。据Laser Focus World统计,在2019年全球艰难的经济环境和复杂的政治环境中,全球激光器的销售额达到147.3亿美元,相比2018年依然获得9.9%的增长。
近10年来,随着激光技术创新与产业化进程不断提速,我国的制造业水平取得举世瞩目的成绩。中国激光产业对全球激光产业的发展也起到重要推动作用。自2014年起,激光器在亚洲装机率几乎占到全球装机总量的一半,而中国占到全球总量的30%,并且首次超过欧洲装机总量。许多国外激光企业在中国投资建厂,纷纷瞄准中国这一最具前景的市场。
2 分析方法和数据来源
2.1 分析方法
本文基于多数据源构建从宏观到介观的激光产业态势分析体系,重点围绕政策、技术、市场等产业要素,采用实地调研、抽样调研、文献计量、文本挖掘、专家访谈等方法研究激光产业的发展现状和解读产业发展趋势。
2.2 数据来源
按照本文建立的产业态势分析体系和数据源头载体,收集与中国激光产业发展相关原始数据。其中,政策环境多来自国家和各省市部委出台的政策文本解读;市场环境和市场竞争格局中的数据统计,一部分来自企业公开的财务数据,一部分来自行业协会提供和实地调研的数据,还有一部分来自国家海关总署的进出口数据库;R&D环境主要来自国家自然科学基金委员会的项目资助数据,以及国家重点实验室、国家工程技术中心等各大国家研究机构的数量统计;技术专利情况来自国家知识产权局的专利检索与分析系统的数据统计;技术研发态势一部分来自机构网站和专业媒体的报道,一部分则来自会议展览上的最新成果发布。个别缺失数据利用多重替代法或热卡填充法进行插补。对于数值型数据,在收集整理过程中坚持同一指标选自同一数据源头载体的原则,以保障数据的关联性与一致性。
3 中国激光产业发展环境分析
3.1 中国激光产业政策环境
当前,激光技术处于大面积推广应用阶段。国家政策多以鼓励和支持激光技术在智能装备及激光制造（包括作为主流的增材制造）领域的应用为主;地方政策多以支持以激光技术为代表的产业园区建设发展为主。
国务院于2016年12月印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中提出研制推广使用激光及其他能源驱动的主流增材制造工艺装备。加快研制高功率光纤激光器、扫描振镜、动态聚焦镜及高性能电子枪等配套核心器件和嵌入式软件系统,提升软硬件协同创新能力,建立增材制造标准体系。同年,工信部发布《机器人产业发展规划（2016–2020）》,提出重载自动导航运输车（AGV）可以融入激光防碰装置以提高产品安全性,而公共智能服务机器人可采用激光即时定位与地图构建（SLAM）的导航方式以提高定位精度。
2017年11月,工信部印发了《高端智能再制造行动计划（2018–2020）》,提出要加快研发应用再制造中的旧件损伤三维反求系统以及等离子、激光、电弧等复合能束能场自动化柔性再制造成形加工装备等。同时要鼓励应用激光等再制造技术,面向大型机电装备开展专业化、个性化再制造技术服务,培育一批服务型高端智能再制造企业。随后,工信部联合发改委等12个部委发布了《增材制造产业发展行动计划（2017–2020）》,明确指出要通过“增材制造与激光制造”国家重点研发计划等方式支持符合条件的增材制造工艺技术、装备及其关键零部件研发,并将其纳入“科技创新2030重大项目”支持范围。
为促进中美经贸关系健康稳定发展,中国也调整了对原产于美国的部分进口商品的加征关税税率,部分商品税率由10%调整为5%,另有部分由5%调整为2.5%,激光领域新增8类商品并入增税清单,6类商品税率向下调整。2020年2月21日,国务院关税税则委员会公布第二批对美加征关税商品第一次排除清单,将在2020年2月28日至2021年2月27日（一年）内不再加征对美反制加征的关税。基于商业考虑,自2020年3月2日起,国务院关税税则委员会接受相关中国境内企业申请,在对有关申请逐一进行审核的基础上,对相关企业符合条件、按市场化和商业化原则自美采购的进口商品,在一定期限内不再加征对美反制关税,支持企业从美国进口商品。
3.2 中国激光产业市场环境
随着“中国制造2025”计划和“一带一路”倡议等的深入实施,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旺盛需求,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（含进口）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。2018年,整个激光设备市场维持平稳增长的走势。市场销售总收入达605亿元,同比增长了22个百分点。经过2017年和2018年的快速增长,中国的激光市场在2019年进入了相对平稳的时期,整个激光设备市场总收入约为658亿元,较2018年同比增长了8.8个百分点。
3.3 中国激光产业区域环境
我国激光加工产业按区域划分为四个产业带：珠江三角洲、长江三角洲、华中地区和环渤海地区
[2]。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。
华南地区激光产业主要集中在广州、深圳、东莞、惠州、中山、佛山和江门等地。华中地区以武汉·中国光谷为代表的激光产业集聚区在2019年市场整体表现不俗。华东地区的江苏已成为继广东、湖北之后全国第三个激光产业聚集地,山东省则重点打造济宁高新区激光工业智能制造产业园。在华北、东北地区,北京市场对激光设备需求旺盛,鞍山高新区则谋划打造国内领先、世界一流激光产业基地。西部地区除四川在高精度激光元器件、超强超快激光等方面具备一定研发实力之外,西安正成为新的光电子高新企业孵化摇篮。目前全国已形成众多光电产业集聚地,企业之间的相互关联越来越紧密,产业集聚的进一步发展即可产生产业集群效应,是产业集群的基础。
3.4 中国激光产业R&D环境
随着国家对激光技术的重视与扶持,一批优秀的研发机构得到国家部委的认可。截至2019年底,由国家发改委授牌的国家工程研究中心与光电子相关的为10家,其中与激光紧密相关的为5家。由科技部授牌的国家工程技术研究中心与光电子相关的为16家,其中从事激光技术研发与产业化的机构为12家。由科技部联合教育部、中科院等部委授牌的国家重点实验室与光电子相关的为17家。以武汉光电国家实验室（筹）为班底建设的武汉光电国家研究中心,是科技部批准组建的6个国家研究中心中唯一以光电领域为研究方向的学科交叉型国家科技创新基地。
2010–2019年,国家自然科学基金委员会（简称国家自科基金）资助的与激光紧密相关的项目共有3 934项,资助总经费超过27.9亿元。2019年,国家自科基金资助各类项目共计41 752项,资助直接费用21.03亿元,其中,与激光紧密相关的项目459项,占总资助项目比例约1.10%;与激光相关项目的资助经费约3.83亿元,占总资助经费比例约18.21%。
从国家自科基金资助的激光相关项目的热门研究领域来看,涉及激光技术、零件成形制造、零件加工制造、半导体光电子器件与集成、光子与光电子器件、传输与交换光子学、光源与光学器件、超强超快光、应用光学等。例如,2019年获得激光相关单项最高直接资助经费1 000万元的项目为北京大学颜学庆课题组的“激光粒子加速器与应用”。
4 中国激光产业技术专利分析
4.1 中国激光技术专利总体情况
2010–2019年,中国激光技术相关专利申请107 570件（检索日期为2020年9月15日,申请日范围为2010.01.01–2019.12.31,采用标题检索）。从
图5可见,近10年来中国激光技术领域的专利申请整体呈现逐年上升的态势。
自2015年以来,广东、江苏是激光技术创新大省,专利申请量多年来一路领先;北京、浙江位列第二梯队,专利申请量均高于600件;湖北、上海、山东、安徽等省市位于第三梯队。
4.2 中国激光技术专利权人分布情况
从申请机构来看,2010-2019年,中国激光技术领域专利申请排名前10的申请机构中有1家企业、6家高校和3家科研院所。可见,近10年来,中国的高校和科研院所在激光技术领域的研发热情较高,企业中,以大族激光科技产业集团股份有限公司为代表的工业激光加工设备生产厂商也十分注重专利申请。
5 中国激光产业市场竞争格局分析
截止到2019年底,国内共有规模以上激光企业超过150家,其中半数以上的企业集中在激光加工和激光器相关领域。近几年,中国激光产业尽管受到国内外经济大环境调整影响,放缓了增长速度,但总体表现不错。首先,激光企业在资本市场亮点纷呈,铂力特、柏楚电子、杰普特、创鑫激光、联赢激光等企业先后登陆科创板,帝尔激光登陆创业板。这些上市企业为行业注入更多活力,并将加速垂直整合,持续打通激光产业链,扩大国产率。其次,中国激光产业的国产替代化进程正不断加速。无论激光装备（以激光切割机为主）、光源（以光纤激光器引领）、控制系统和配件等产品,目前的国产占有率都在稳步提升。激光打标机市场的激光器国产化率达到95%;激光切割设备市场的中高功率激光器国产化率达到85%。中国激光产业已经进入了全面提质增效的阶段,紧跟技术发展趋势,加快整合市场和资本资源,积极寻找转型、创新和升级之路。
6 代表性细分行业发展态势
6.1 光纤激光器
光纤激光器作为第三代激光技术的代表,相对于传统固体激光器而言具有高效率、低阂值、低损耗等诸多特点,可以更好地设计紧凑、小巧的结构
[3],在工业加工、医疗、遥感、安防、科研等领域有全方位的优异表现。2010年至今,我国光纤激光器行业的发展取得了举世瞩目的成绩。受益于国内激光器企业的技术突破,国内小于100 W的低功率光纤激光器已基本实现国产化,500 W至3.3 kW的光纤激光器国产化率已超过了60%,功率大于6 kW的光纤激光器的国产化率正在逐年提高,万瓦以上已有包括武汉锐科光纤激光技术股份有限公司、深圳市创鑫激光股份有限公司等多家企业参与全球竞争。2019年南京理工大学研制成功国内首台万瓦级光纤激光器用光闸,推动了工业级大功率光纤激光器关键器件的国产化进程,填补了国内在此领域的空白。
当前光纤激光器技术研发热点领域包括：高功率光纤激光材料与器件、特种光纤、光纤耦合技术、光纤激光加工技术等
[4]。在高功率方面,我国与国外先进水平差距进一步缩小,未来关注超快激光光速合成、光纤激光非线性效应调控等技术领域的研发动向。
6.2 激光显示
我国激光显示产业已形成了较完整的激光显示产业链条：上游包括半导体外延片、泵浦源和人工晶体等;中游包括半导体激光器、全固态激光器、光学成像器件、光学引擎及驱动电路、信号处理电路和屏幕等;下游主要为显示设备及其应用
[5]。我国激光显示发展与国外基本同步,已经从跟跑发展到总体并跑、产业规模领跑的阶段。海信视像科技股份有限公司、四川长虹电器股份有限公司、杭州中科极光科技有限公司、深圳光峰科技股份有限公司、TCL科技集团股份有限公司等数十家传统家电企业和互联网企业,围绕激光显示全链条开展产业布局,2019年国内激光显示产值已经超过125亿元,近几年年复合增长率接近100%,产业规模达国际领先水平
[6]。
6.3 激光焊接
激光焊接是激光加工技术应用的重要内容,更是21世纪最受瞩目、最有发展前景的焊接技术
[7]。近10年来,我国激光焊接产业技术发展迅猛,形成了涵盖上游激光器、机械、数控、电源及各种辅助零部件,中游各种激光焊接装备,下游各类应用的产业链条。随着激光焊接在汽车制造、航空航天、船舶制造、新能源电池、数码加工等领域应用的崛起,激光焊接技术及设备的市场需求也不断快速扩大,各领域对先进的焊接工艺与方法、高效的焊接设备、优质的焊接材料等的需求也将随之增加。
当前激光焊接的研究热点涵盖
[8]：激光复合焊接工艺与方法、智能激光焊接技术与设备、非金属材料激光焊接等。未来,随着工业发展在高效、环保、自动化等方面的需要,激光焊接将更多围绕过程的实时监测与质量控制、新型传感器技术、多功能自动化焊接设备、异种和复合焊接材料等方向展开研究。
7 总结与展望
最近10年,中国激光产业延续了良好的发展态势。激光技术在人类社会的发展与进步中发挥愈来愈重要的作用。
具体总结如下。
（1）技术创新活跃
从国家政策导向和自科项目资助情况可以看出,激光技术创新态势相对活跃,自动化、集成化和智能化水平持续提升。激光技术与其它学科也在加速融合,不断拓展激光化学、激光医疗等新兴应用领域,着重发展精密和微细加工技术,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应用激光高精密加工技术,为传统加工方式创造前所未有的可能性。但学界和产业界的合作仍待加强。
（2）市场竞争加剧
从激光设备的销售收入可以看出,中美贸易战的开打对整个市场存在一定影响。中上游成品设备厂商的影响较大,除了激光产品和数控机床设备的出口受到一定制约之外,增税使得国内企业进口材料及零部件价格上涨,企业不得不向消费者转嫁,进一步触发多个激光设备市场的价格战,从而加速了激光加工设备行业低端产能的出清。
（3）投资需求旺盛
越来越多的资本开始关注并涉足激光领域,重量级收并购在全球范围内频繁上演。一些早进入者开始出让股权,获得及时可观的回报;另一些新入局者则准备在产业中大展拳脚。虽然激光技术已经发展了半个多世纪,但从这两年不断有激光相关企业成功上市以及整个产业市场规模不断攀升可以看出,激光产业恰恰是“大器晚成”。
具体展望如下。
（1）创新引领发展
中美贸易战为国内器件厂商提供了一个很好的契机,激光行业内很多企业也将目光转向国产激光核心器件的自主替代,国产设备和上游器件产品市场份额得到很大提升。同时,技术创新带来了应用领域的多元化,更多应用场景下的新产品被研发出来,这将给企业带来更广阔的市场空间。
（2）高水平人才带来巨大优势
未来几年,以价格比拼的恶性竞争将逐渐演变成人才争夺和应用解决方案的较量。高水平的工程师队伍和服务网络的建设将给企业带来巨大的竞争优势,而不断提升产品品质及工艺,塑造企业的多维竞争力才是激光加工设备企业维持生命力的关键所在。另外,加强对关键知识产权的保护,则让企业掌握话语权,立门槛将“搅局者”拒之门外。
（3）疫情不改中国激光产业长期向好趋势
对于2019年底突如其来的新型冠状病毒肺炎疫情,虽然湖北、广东、浙江等激光产业基础较好的省份,遭受到不同程度的市场冲击,但从长期来看,疫情不会改变中国激光产业长期向好的趋势。中国作为全球制造中心,拥有较为完备的产业链基础和广阔的市场空间,“集中力量办大事”正是我国制度和治理体系重要优势的体现。相信疫情过后,在拉动内需过程中势必会出现一大批新的应用场景。例如以5G通信、工业互联网、大数据中心为代表的新型基础设施建设领域和以航空航天、船舶制造为代表的高端工业制造领域,都将提供激光技术“用武之地”。
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