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高功率工业激光器产业发展现状与松山湖高端激光产业链的前景规划

来源: bt36体育在线投注 发布时间:2018-5-8 阅读:

作者:马修泉


【前言】从我们身边的每一块金属板材的切割到每一台汽车的焊接,从每一块半导体芯片的划线工艺到每一部手机的内部加工……高功率工业激光器已经悄然渗透到我们生活中的每一个细节,可以说高功率工业激光产业所支撑和影响的产业已经是无处不在。

本文围绕高功率工业激光器的产业发展现状,试述松山湖地区发展高端激光产业链的优势以及前景规划。

 

国家科技与产业重点发展的战略方向


激光技术与应用无处不在


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       高端工业激光器,特别是千瓦至万瓦级的高功率工业激光器,长期以来受到国家产业政策的重点鼓励和大力支持。

       这在国家战略层面具有重大的意义,从智能制造领域的柔性化、定制化的金属钣金切割机和汽车家电等整体全自动化焊接生产线,到大型航空航天、海洋重型船舶核心零件的制备,都需要千瓦级甚至万瓦级的高功率激光器,但长期依赖进口,是一个典型的制约我国产业发展和科技进步的“卡脖子”的核心器件问题。

激光技术是国家科技与产业重点发展的战略方向

 

     《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》、《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》、《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》、《“十三五”国家科技创新规划》、《2017年度增材制造重点专项项目申报指南》等国家政策、发展规划和项目指南均强调重点支持光纤激光产业的发展,为光纤激光器行业的持续快速发展提供了广阔的产业政策空间和良好机遇。

 

激光产业进入快速发展期




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半导体、激光和超导是人类进入量子时代之后同时出现的三个诺贝尔奖级的物理发明,时至今日三者的发展规模却可以用三个完全不同的发展状态来形容——如日中天、不温不火和停滞不前。

究其根本,是由于应用需求量的不同导致产业规模的迥异,具体来说:以计算芯片为核心的半导体产业已经走进千家万户,虽然新型光刻机等半导体制造设备的研发动辄过亿元,但巨大的应用需求量将每颗芯片的成本不断降低,使得其发展如日中天;激光产业从上个世纪70年代开始获得大面积的应用和发展,但功率需求总量较小,应用层面相对狭窄,故发展不温不火;超导虽然具有不可估量的应用价值,但几十年来一直无法在实际应用需求层面进行大规模推广,所以至今仍然是停滞不前。

但值得注意的是,近年来高功率工业激光器的发展十分迅猛,过去200万个5毫瓦的激光二极管的激光功率总量可以被如今1台万瓦级工业激光器的激光功率总量所取代,这也是激光自诞生以来第一次出现应用需求巨大的大规模应用,可以将当前的激光器发展阶段类比为计算机和集成电路用于大型企业计算的70年代,虽然尚不能走进千家万户,但大规模的生产必定导致成本的不断下降和技术的不断提高,在未来的十到二十年中,激光产业的发展将遵循计算机从大型机到商业机再到个人电脑的轨迹,最终走进千家万户,成为一个可以比肩硅产业的超大规模的激光产业。

 

市场前景巨大但严重依赖进口


国产与进口激光器的产量增幅比较


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我国激光器、激光加工装备与整个激光产业的产值比例大概是1:10:100,例如2016年工业激光器的产值约为50亿元,激光装备的产值约为500亿元,整个激光产业的总产值约为5000亿元,产业协会预计至2020年上面三个数字将提升到100亿元、1000亿元和1万亿元。

2017年光纤激光器、直接半导体激光器、超快和紫外激光器、军用激光器等工业激光器产品的总产值约为105亿元,其中光纤激光器约75亿元、超快和紫外激光器10亿元、直接半导体和其他类型激光器约10亿元、科研和军用激光器约10亿元。

从国际大环境来看,我国占全世界工业激光器装机总量的40%,是很多国际大型激光企业的第一大激光器销售地区,以美国IPG公司为例,2017年专注于高功率激光器生产与销售的美国IPG公司销售额达到14亿美元,年增长率为40%,市值在120亿美元左右,2018年3月刚刚被纳入美国S&P500股票指数,中国地区占IPG全球总营收比重的40%,同比增长47%,是名副其实的IPG全球第一大销售区域。

另一方面,我国高功率、超高功率工业级激光器产品处于严重受制于人的状态,4000瓦以上的高功率/超高功率产品几乎完全依赖进口,6000瓦以上的高功率激光器出口到中国被美欧商务部严格限制,特别是万瓦以上的超高功率激光器,采购周期长达一年以上,对国家部委直属科研院所更是执行严格禁售政策,因此实现国产替代进口具有极高的战略意义。

 

广东地区市场需求和产业规模巨大

广东地区的激光发展全国第一

 




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广东省激光产业发展非常迅猛,虽然在科研成果上落后华中武汉地区和北京天津地区,但更注重实干,目前已经悄然形成了千亿级的上下游总产业规模,仅东莞地区就有120亿的规模,深圳地区160亿的规模,广东已经成为名副其实的全国激光产业第一大省,涌现出大族、联赢等二三十家国家知名的激光装备企业,激光加工站和服务中心更是满地开花。

而且,激光产业是典型的冰山产业,“水下”不可见的支持和带动的产业规模巨大,据不完全统计,仅东莞地区的激光相关产业可涉及670余家企业共400多亿的产值,影响十分广泛。但广东地区的大量激光装备企业都依赖高端工业激光器的进口,以深圳大族激光为例,以激光加工装备为核心业务已经成为产值世界第二的激光公司,但其所使用的工业级光纤激光器几乎100%依赖进口。可见,珠江三角洲地区急需发展高端工业激光器产业,大的方面来讲有利于供给侧改革的实施,小的方面来讲有利于整个激光产业替代进口、降低成本、持续提高企业竞争力和创新能力。

 

 

松山湖发展高端产业链具四大优势




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松山湖地区位于世界最大的以应用为导向的光电产业集群的几何中心。

粤港澳大湾区战略和广深科技创新走廊建设的实施,将加速广州-深圳一线的产业发展,而这一地区正是世界最大的以应用为导向的光电产业集群所在地,上面已经提到,仅东莞地区的激光相关产业可涉及670余家企业共400多亿的产值。松山湖刚好处于这一地区的几何中心,对拉动整个光电产业有得天独厚的地理优势。

其次,从未来发展路径来看,松山湖地区工业用地相对而言比较“小而精”,不适合占地大、职工多的集成装配产业和重工业产业,更适合占地小、职工少的上游高端核心器件与技术的发展。

松山湖位于东莞和整个广深创新走廊的中心,区域面积仅为100平方公里,最大的优势在于生态科技园区对国外高端人才的吸引力度,可以说是寸土寸金,更适合发展具有高附加值的上游高端核心器件与技术,占地大、用人多的集成装配产业和重工业产业更适合入住松山湖附近片区,松山湖自身的科技辐射与产业拉动意义大于其直接产值与税收意义,而激光产业恰是高附加值产业的代表,人均产值可达500万人民币以上,非常适合松山湖地区产业定位。

再次,发展高端激光产业链是从深圳转移高端制造业的良好契机,有利于松山湖平衡高端电子信息产业一家独大的产业状况。

无容置疑,电子信息产业是松山湖目前的主要支柱产业,但完全依靠单一产业并不利于地区的综合发展。深圳正在向外转移高端制造业并向金融、互联网等方向转型,目前深圳众多光电制造企业在惠州的政策招揽下正在大面积向惠州转移,而松山湖作为深圳之外最有希望成为高科技产业中心的地区应该抓住机遇招揽从深圳转移出的光电制造企业,从而打造高端激光产业链,在电子制造产业之外培育第二个支撑产业,丰富松山湖的产业结构。

另外,松山湖地区已有很好的激光产业基础。从下游激光加工装备来看,已有正业科技、大族粤铭、光韵达、盛雄激光等一系列全国闻名的技术企业,从上游激光器来看,广东省智能机器人研究院已在高端工业激光器的研发与产业化方面站在国内的前列。综合已有的高端激光产业链基础,结合即将引进的众多激光科技企业,松山湖可以打造一个全国领先的高端激光产业集群。

 

围绕激光产业链建设前沿大科学中心和高端产业链




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基于松山湖地区打造科技新城和引领产业转型的发展方向,建议围绕强光场与物质的相互作用,以光信息和光制造为核心,由华中科技大学与广东省智能机器人研究院牵头,建设一个集前沿大科学研究、国际化研究生培养、重大产业技术孵化为一体的研究中心,围绕三个前沿 + 两个基础,即超短脉冲超高功率超强光场三个前沿科学以及光电器件”和“激光器件”两个基础展开工作:

第一,以高通量超快阿秒激光为核心,探索光与物质的相互作用原理,触及最前沿的大科学领域;

第二,以高功率激光极紫外EUV光源为核心,攻克产生极紫外EUV光源的十万瓦级超高功率激光器,研发人类最前沿的激光应用,引领我国在关键未来产业上的发展;

第三,以强场激光粒子加速器为核心,研发在成本、体积及维护成本方面都占据绝对优势的最新一代激光粒子加速器,力争获得处于世界前沿技术的大科学装置;

,以光电芯片制成为核心,例如通讯光电发生器和接收器、人脸识别光电芯片、高功率激光光纤芯片、光电芯片封装工艺等,占据光电产业的最上游;

第五,以高功率、高能量、高通量及强场激光器为核心,研发各种可以提供极限光场的高端激光器技术,为大科学装置及研究提供激光工具,为科学研究、航空航天、汽车工业、海洋船舶等各种激光加工类的高端工业应用提供产业支撑。

最终,以大科学研究和国际化研究生培养为支撑,以重大产业技术孵化落地,在松山湖地区打造一个世界级的面向光信息与光制造应用的高端产业链

华中科技大学在教育部的近两轮学科评估中,机械工程与光学工程都排名全国第一,可以与广东省智能机器人研究院一起组织和引导这样一个面向强激光与物质作用的大科学中心和产业链孵化平台,两者都与松山湖建立了长久的合作关系,有利于工作的深入开展。

 

人物简介

马修泉  

国家青年千人计划、华中科大博士生导师、广智院大功率激光器团队带头人