光纤激光器行业:始于苏联,在中国的发展史

由前苏联传承的半导体激光技术开发而成光纤激光器绝对理想的光束质量,高转换效率,高稳定性等,它取代了传统。激光这条路越来越远。

由于中国巨大的需求和降低成本的推动,光纤激光器繁荣起来,行业前景一片光明。但是中国公司已经占领了低功率市场,成本尚未被人们理解。没有人知道这个市场将来会是什么样。

 

光纤激光器行业:始于苏联,在中国的发展史

这是行业的故事,但让我谈谈简单的科学常识。激光是20世纪的重要组成部分技术发明其中之一,英文名称“ laser”,1964年钱学森建议中文名称为“激光”。激光“受激辐射”的科学原理是

爱因斯坦1917年提出的建议实际上非常简单,可以理解高中物理知识。爱因斯坦指出,处于高能级E2的粒子,当频率为V =(E2-E1)/小时的光子入射时(H是普朗克常数),粒子会以一定概率,迅速地从能级E2跃迁到能量 E1级,同时以相同的外部光子频率,相位,偏振态和传播方向辐射光子,这称为受激辐射。

看到这是惊人的?一个光子变成另一个光子,两个光子会变干吗?没错,两个人找到了其他要发射的粒子并变成了四个。这个过程就像核爆炸链反应一样,光子的数量迅速增加,这相当于被放大的原始光信号。

“激光”实际上是受激辐射发射的光放大的缩写。这是爱因斯坦提出的诺贝尔奖获得者的另一个理论结果,但是直到1960年年,即爱因斯坦去世五年后,才制造了激光。为什么这么久?

因为爱因斯坦该论文还提出了“X吸收”。光子可能会撞击E1能级的粒子,将其变成E2能级,然后消失。所谓的X反应消失了。通常,受激材料比受激辐射吸收更多的粒子(比高能级E2更低的能级E1),因此光通过强度不会被放大而是会降低。为了产生激光,关键条件是“粒子数量相反”,高水平粒子比低水平粒子更多。但这实际上并不那么困难。 回顾1930年代,物理学家有能力做到这一点。1960美国激光制造一年后,中国立即在1961年带领王大钊院士制造了中国的第一台激光(王老于2011年去世,被选为100位改革先驱之一)。

直到1930年代,科学家才没有将光学理论和技术整合在一起,也没有期望这样做。还有许多其他重大发现。

这使激光器的发明过程有些离奇,在制造“激光”之前首先制造了“ Maser”(微波放大器)。

 

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红宝石激光

 

 

美国哥伦比亚大学的物理学家查尔斯·汤斯(Charles Towns)在第二次世界大战期间从事雷达工作。海军想要制造出强大的光束,汤斯接任了任务。

1954年,Towns最终制造了Maser,尽管微波被放大了,但已经为Laser的发明做好了准备。1958年,汤斯和他的同事以及姐夫亚瑟·肖洛(Arthur Shoolo)发现,暮光灯泡发出的光是在稀土晶体上的,该晶体会发出明亮的眩光,并且会一直会聚。1960年,美国休斯实验室的Mehman用高强度制造了世界上第一台激光器闪管X红宝石。这里的关键是要有一个“光学谐振腔”。一次通过晶体的光的放大率不是很高,但是如果两端都装有镜子,然后放大和缩小,那将是惊人的。镜子镀的银较少,部分光会泄漏出去。
这是一种熟悉的单向激光器。肖洛的贡献是将这位光学研究人员熟悉的方法引入了激光领域。汤斯(Towns)荣获1964年诺贝尔物理学奖,小罗(1981年)荣获诺贝尔物理学奖。
1964年的数字可能还不够。1964年,由于激光和Towns赢得了诺贝尔奖,他们是两位苏联物理学家Nikola。巴索夫与亚历山大·普罗霍罗夫(Alexander Prokhorov)。

巴索夫提议,那年苏联物理学家也非常强大。半导体激光器研发出后来的产品:光纤激光器。

 

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Bassov(右)和Prokhorov(左)带领Towns(中心)参观他们的实验室

 

 

像巴索夫,Prokhorov和Towns的团队一样,1955年,诞生了一种名为“ Maser”的氨分子束微波激励器,然后自然想到了激光。Basov他的贡献是,他在1958年发表了一篇论文,提出了使用半导体制造激光器的想法(半导体中“粒子数量反转”的理论),并于1961年发表了一篇有关“载流子注入” PN结的文章。1963年,制造了PN结半导体激光器(美国人首先根据他提出的原理制造了它)。半导体激光器不如教科书好红宝石激光声望很高,但专家们清楚地了解了半导体激光器的理论意义,并且潜力更大,因此,两位美国苏维埃科学家获得了三等奖诺贝尔奖。

半导体激光器的优点很多:电子直接变成光子,电光转换效率高达50%,远高于其他类型的激光器; 使用寿命超过100,000小时,比其他类型的寿命更长; 半导体也可以调制输出其他类型无法完成; 体积小,重量轻,性价比高。 半导体比红宝石等材料便宜。实际上,不难理解半导体激光器的优点,尽管大多数人可能没有注意,但是发光二极管每个人都可以看到(发光二极管)灯。

led的原理照明是当载流子在PN结中重组时,多余的能量从光中释放出来,电流直接变成光,而不是像白炽灯泡那样燃烧灯丝。因此,与传统灯泡相比,发光二极管灯具有许多优点,例如颜色多种,光强度调制,寿命长,成本低(我之前曾写过飞利浦照明市场),这与提到的半导体激光器的优点相似。 以上。可以将半导体激光器理解为LED照明的原理,再加上光学腔的放大效果,并且不必重新构建该谐振器,它位于半导体内部。

激光是一种罕见的技术,可以立即获得实用。1961年用于外科手术。由于激光的特性太突出,因此所有光子的一致性特别好。在一个方向上,能量作用在一个点上,该点是太阳的一百万倍。将具有大功率点的激光对准某物,然后将其切割以进行加工。切割,焊接,测量,标记的各种用途,在通讯,工业加工,医疗,美容等行业中,继续取代传统工艺。

现在让我们谈谈光纤激光器。

2017年,全球工业激光器X额为20亿美元,其中48%为光纤激光器。光纤激光器的关键人物是俄罗斯的瓦伦丁·加蓬采夫

 

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Valent在
Gapontsev

 

加帕切夫(Gappachev)生于1939年,是激光材料物理学领域的高级科学家,苏联科学院放射与电子科学研究实验室的负责人,是一门真正的苏联技术。苏联X后的俄罗斯人似乎不是很有企业家精神,但盖帕切夫还行!Gapenchev成立于1990年。IPG光子,2006年那斯达克上市(IPGP)。
2017年是40亿美元,当前市值为60亿美元,是业内最著名的光纤激光器公司。加蓬切夫(Gapunchev)持有IPG近一半的股份,并且是亿万富翁。尽管他今年79岁,但他仍然担任公司董事长兼首席执行官。

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2009年,加蓬捷夫陪同梅德韦杰夫总统和运输X索科洛夫访问了IPG在俄罗斯的生产基地。

 

 

2009年,Gampetchev赢得了美国激光学会的亚瑟Shoolo奖,这是他的学术成就得到业界的认可。2010年,加蓬切夫获得了俄罗斯国家科学技术奖,是俄罗斯科学技术的最高荣誉。

实际上,加蓬切夫是俄罗斯和美国的双重公民。IPG的总部位于美国X州,制造工厂位于美国。德国,俄罗斯和意大利。但是,加蓬切夫(Gapunchev)正确地赢得了这个奖项。
该公司的创立和发展与苏联和俄罗斯有着深厚的关系。什么是使加蓬雪夫(Gabonchev)获得荣誉和其他巨额财富的光纤激光器?在没有光纤激光器之前,市场上用于材料加工的工业激光器主要是气体激光器和水晶激光。气体激光器,典型代表是二氧化碳激光。水晶激光代表是YAG激光YAG是指添加了钇或钇的钇铝石榴石。

 

100瓦的二氧化碳激光打标机
100瓦的二氧化碳激光打标机

 

 

激光打标是指使用激光在金属或非金属材料上绘制精美的图案。

CO2激光机负责使用CO2作为工作物质来产生激光辐射,并且辅助气体氮气和氦气也充入放电管中。当向电极施加高电压时,在放电管中产生辉光放电,从而气体分子释放激光,并且在能量被放大之后,形成激光束。打标时,振镜由计算机控制,改变激光束路径实现自动打标。CO2激光机体积庞大,结构复杂且难以维护。

 

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YAG激光

 

 

YAG激光器需要氦气或氙气灯作为“泵浦灯”,以将光发XNd:YAG晶体以产生激光。泵浦灯的发射光谱为宽频在该连续体中,只有少数光谱峰被Nd离子吸收,大部分未被吸收的光谱能量被转换为热能,因此能量使用率很低。尽管CO2和YAG激光器具有这样的缺点,所产生的高功率激光器仍处于行业是非常有用的。在行业中经常有这样的例子,老一代产品培育市场,过程转换,然后新一代产品达到效率。光纤激光器用于提高效率。

如前所述,半导体激光器具有许多优势,但是为什么不开始发展呢?因为它有一个致命弱点:发出的激光质量不好!晶体激光器的输出激光束具有高质量以及高的时间和空间相干性。
它声称仅以2公里的光向月球发射激光束。半导体激光器的光谱线宽和光束发散角比晶体激光器的光谱线宽和光束发散角高几个数量级。主要功能不好,那堆优点意义不大。

一种方法是结合半导体激光器作为晶体激光器的泵浦的优点。半导体激光器发出的光源被晶体激光器“优化”以形成高质量的光束,然后发出。但是,该方案也存在问题。块状晶体吸收短波长的高能量光子,并将其转换为长波长的低能量光子。在非辐射跃迁中,一些能量转换为热能。如果这部分热能没有散布在块状晶体中,将是致命的,并且会在一段时间内燃烧掉,因此散热问题非常重要。如果可以将块状晶体制成细长条,则散热面积非常大,并且可以解决该问题。

光纤像那样有人在1964年做到了。玻璃对于激光,晶体使用光纤,尽管光源不是半导体激光器。但是那时,光纤本身没有发展,缺陷非常大,并且光源很难聚焦在光纤上,因此这种方法的发展已经超过X了。到1980年代,随着泵浦的发展,半导体激光器已经取得了长足的进步,随着网络通信的发展,光纤也有了长足的发展,光纤激光器的技术条件也逐渐成熟。1987年,南安普敦大学和美国的贝尔实验室证明了掺fiber光纤放大器的可行性,并取得了关键的科学突破。但工业突破是由Gaipenchev的IPG,成立于1990年,经过多年的实现。

光纤激光器是非常高端的高科技,涉及多个学科。作为泵浦半导体激光器的功率可以变得更大,纤维的放大性能应该不断提高。改善纤维的技巧是在内部添加各种稀土元素。IPG是西方国家典型的高科技企业。R&d并不简单,并且产品利润率高达50-60%。光纤激光器对半导体激光器具有许多优势,并且

水晶激光的高光束质量的优点。与工业相比二氧化碳激光与YAG激光光纤激光器的优点是一目了然,其优点是如此之大,没有什么像他们一样。光纤激光器具有绝对理想的光束质量,并且

半导体激光器超高转换效率,像光纤与LED灯是完全免维护,具有高稳定性和小尺寸,并且真的是一个完美的产品。当然,高科技新产品有一个缺点:昂贵。对于IPG,这不是问题。
有这么多的优点,激光是理所当然的,甚至是高成本的企业才能发展。在这个时候,我们终于不得不说中国。在上述激光器和光纤激光器的科学发展,似乎没有什么中国。不过要说的是产品价格昂贵,行业的发展需要,以降低成本,这是中国的杰作。

实际上,IPG的主要市场是在中国。IPG从事工业激光器。中国的工业产值是世界最高的,需求当然是最大的。虽然IPG开始在欧洲和美国做的,中国的市场份额越来越高。截至2018年第二季度,IPG的X额的49%依赖于中国市场。对于消费或工业应用,不能直接使用光纤激光器。它们需要制成各种“激光打标机”和“激光切割机”。

中国如大族激光的领先制造商生产打标机和切割机的。由IPG,家庭激光买使加工机,所产生的光纤激光器是一种天然的配合。

即使光纤激光器组件是昂贵的,由大家族产生的其它机器便宜。最终客户看到的产品是具有良X能和可接受价格的升级产品。因此,中国市场为IPG提供了帮助,整个机器降低了成本。
光纤激光器的应用蓬勃发展,整个产业链都得到了发展。

但是IPG对中国市场抱怨很多。这也是欧美科技公司的正常状态,热爱中国市场,心情复杂。

 

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IPG的五年股价趋势

 

 

从IPG的股价趋势来看,到2018年初,它在2014年增长了两倍多,而且感觉到大牛市。但是在2018年,它下降了50%,这是非常惨的。

这是为什么?X的激光催生了IPG并制造了光纤激光吗?不,大族一直支持IPG。IPG的业绩在2018年继续增长。IPG发言人在2018年7月31日的第二季度绩效简报中表示(从华泰机械研究团队转来):

记者问:早上好。

在中国,尤其是在尝试上市的过程中,您是否看到竞争环境发生任何变化?

IPG发言人:相对而言,我们不认为瑞克拥有未来。

从产品质量和没有外包帮助的竞争来看,瑞克只有非常有限的机会,而消融市场是疯狂的。

对于像瑞克这样的中国公司来说,他们破坏了市场。

他们降价并降价,在很小的范围内运作,实际上他们破坏了市场价格。

每年(包括今年在内),它们的价格都下降了近50%甚至更多,这真是太疯狂了。

我们不了解它们的工作原理,这令人难以置信

这是真的。

之前的打标市场非常健康,但是却破坏了市场。

尽管现在产量在增长,但实际上已经在价格上遭到破坏。
即使是中国的主要参与者,在打标市场上也根本没有利润。

他们正在努力摧毁所有供应商,当然,我们有更好的机会。
我们的制造成本比我们认为的制造成本便宜得多。

但是价格正在下降,这是一个主要问题。

产量在增长,但收入增长实际上是有问题的,这影响了低端产品的最终收入。

今年,我们正在努力降低产品成本。

同样,从明年开始,我们将推出比现有生产线更高效,更完美且更便宜的新一代高功率光纤激光器。

在制造成本方面,我们再次下降了20%至30%,即使平均售价下降以支持同样的高利润率,也会影响收入。

中国人实际上摧毁了市场。

 

 

 

 

IPG发言人显然很不高兴,但仍然对IPG充满信心,并认为费用没有问题。在这里,瑞克是由几位回国在武汉创立的光纤激光公司。实际上,仍然有一些从事光纤激光器的中国公司,例如深圳的Chuangxin和Jeppet。

锐科代表了许多中国科技公司的烦恼趋势:尽管原件不多,但它们也可以鼓吹技术含量低的高科技产品。然后,在中国特殊的研发环境中,这些中国公司渴望疯狂地降低成本以获得竞争优势。与IPG发言人不同,中国公司的确可以在保证一定利润的同时削减成本,而又不打断市场。 实际效果是使应用程序迅速传播。实际上,工业激光器的普及程度取决于中国激烈的成本削减和应用推广。印度和越南等对制造应用有一定需求的国家,也使用在中国生产的低成本工业激光设备,这在瑞科的产品中得到了广泛认可。三星在越南的工厂使用了很多中国公司的机器。可以理解中国公司的选择,最好是减少简化的成本,而这种简化无需没有原始研究和开发而获得未知结果。

市场赞赏高性能产品,但低成本产品最终将主导主要市场。中国的IT互联网公司将烧钱占领市场并挤压对手,但制造公司仍将保证利润。在竞争中,这个利润率不会太高,有时高中的高科技行业似乎不是很引人注目。

 

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深圳大足激光生产车间

 

 

大族激光愿意与IPG建立良好的合作关系,以支持IPGX。作为大客户,它还可以享受优惠价格。

大族激光的主要竞争对手是武汉市华功部。
锐科的促销市场依赖于武汉的华中激光等公司。当使用Ruike的家用光纤激光器的竞争对手时,这个大家族和IPG共同降低了价格,并试图挤压对手。

但是,这样一家监管良好的企业也无法抵抗整个技术环境。在2010年,IPG可以X超过15万个20瓦光纤激光器。现在,Ruike的价格为8800,而IPG无法竞争。

最后,大族的激光也已经独立了。据说,窍门很简单,找国内厂商用几根光纤激光器看一下,让其打开接口定义,就发现有人在山寨机上成功了,后来没买。

由于庞大的产业链,中国公司可以疯狂地降低成本。例如光学镜片,德国它的价格为10,000,而中国仅生产一千。圆柱导轨等零件已本地化,很少有非本地生产的核心组件。在本地化的推动下,成本迅速下降。2015年,一台3瓦的紫外线激光器售出了90,000台,现在已经售出20,000台。而且,中国有很多研发人员,行业竞争已经成为快速满足客户需求的竞争。

大族激光和韩国当EO在越南竞争时,同一产品的价格低于10万元人民币,因为IPG部件价格便宜,并且大量年轻工程师被派往三星的越南工厂进行日夜调试。

EO已发送韩国工程师很少,头发是白色的,美国公司的自动化激光设备建设期为半年,中国公司直接报价为30%,建设期为一个月。退休的美国老工程师正在做这件事。他退休时没有人会这样做。即使武汉企业派人来此住宿也很容易,但大量的消费电子行业公司都位于深圳的东莞地区。当产品推出时,出现了问题,但是可以立即进行改进。一段时间后,它非常稳定。这样,工业激光器已经成为消费电子行业的标准应用,价格已经成为卷心菜,并且已经传播到其他行业。

 

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金属激光打标机

 

 

在中国的研发环境中,工业激光设备并不难制造。

几人敢于打开公司,寻找各种制造商来组装各种零件并组装打标机等标准设备。在1990年代,有30万辆,现在是2万元人民币(IPG发言人说,市场被摧毁了)。尽管这类公司不从事研发,但可以通过促进普及和应用来帮助上游制造商扩大市场。

这种现象在国外很少见。中国工业机械的成本降低幅度实在太大。

实际上,印度越南人看到了这些机器,他们真的很想考虑。他们中的大多数人都会像中国人那样会做。他们认为这种事情并不难。但是印度越南人不去使用这些机器,这是无利可图的。

中国人本身的利润率为10%。印度和越南必须在当地生产,并且没有配套设施。即使是最简单的黄金也不一定能得到。

并且降低成本必须足够。

印度和越南还没有产生自己的条件,因此找到一家中国公司是最具成本效益的。即使X补贴做这样的行业,也必须有一定的利润率才能继续下去,否则长期补贴是不行的。因此,看起来似乎很容易,但不会做到。实际上,在中国的低成本环境中开设工厂还有另一种方法:成本。例如,以前在美国的生产线光波公司(命名为光波),后来将低功率生产线转移到了深圳。这家公司并不意味着有任何研发优势,即深圳的生产成本低,国际竞争力增强。老板是一名华裔美国人,所以我可以理解成本的降低。为什么称其为“成本”,因为对中国没有技术贡献。但是仍然可以看到美国公司和中国公司在风格上的差异。

根据美国高科技公司的了解,客户应尊重公司提供的技术产品。这个行业是技术驱动的,客户不能着急,他们必须等待技术公司生产越来越强大的产品,而且X必须依靠技术人员。
研发,工作节奏缓慢,下班后找不到人。

但是中国公司有不同的理解。尽管这是一个高科技产业,但光纤激光器被认为是真正的高科技产品,但它们已成为X公司。客户有需求,X会受到追捧,技术人员将不得不去客户那里进行故障排除。X是至高无上的,技术要服从X任务。像这样的光波美国尽管该公司表示要降低成本,但节奏仍然不正确,有时订单会出来,但缺货。IPG为什么不来中国开设工厂以降低成本?

它一半的业务都在中国,而中国市场已使它成为现实。在中国开设生产厂是正常的想法。

但是我真的不敢来。 成为小屋的风险实在难以承受,因此我只在北京开设了一家X和技术支持公司。IPG还具有一些技术优势,例如市场份额超过2000瓦的大功率设备。

但这不能说还有更多的保险。(Ruike)等公司已经在生产大功率设备,并且已经有10,000瓦,但它们仍然不稳定。说他们做不到没有实质性的困难。

IPG的股价暴跌。inIPG面对市场,工业激光设备正在取代传统的加工设备,而光纤激光器正在取代传统的加工设备。Laser
整个行业看起来一片光明。但是中国公司已经占领了低功率市场,成本尚未被人们理解。

从前苏联传下来的半导体激光技术得到了发展光纤激光器由于中国巨大的需求和降低成本的促进。没有人知道这个市场将来会是什么样

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