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光纖激光器產業:始于蘇聯,興于中國

從前蘇聯傳下來的半導體激光技術發展而來的光纖激光器,憑借著其絕對理想的光束質量、超高的轉換效率、穩定性高等一系列優點,在取代傳統激光器的路上越走越遠。因為中國的巨大需求與降成本推廣,光纖激光器得以興盛起來,整個行業看上去一片光明。但是中國公司已經占領了低功率市場,成本降得無法理解。這個市場未來會變成什么樣,沒有人知道。

這是一個產業的故事,但先說點簡單的科學常識。

激光是20世紀的重大科技發明之一,英文名“Laser”,1964年錢學森建議中文名為“激光”。激光的科學原理“受激輻射”是愛因斯坦1917年提出的,其實挺簡單的,高中物理知識就能理解。

愛因斯坦指出,處于高能級E2的粒子,當頻率為 V=(E2-E1)/h的光子入射時(h是普朗克常數),粒子會以一定概率,迅速地從能級E2躍遷到能級E1,同時輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態以及傳播方向都相同的光子,這叫受激輻射。

看出厲害了不?一個光子變出另一個完全一樣的了,這兩光子接下去會干啥?沒錯,這兩個又去找別的粒子開火,變成四個了。這個過程就象核爆炸鏈式反應,光子數量迅速增加,相當于原來的光信號被放大了。“Laser”其實是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的縮寫。

這是愛因斯坦提出的又一個諾貝爾獎級別的理論成果,但是直到他去世5年以后的1960年,激光器才做出來。為啥要這么長時間?因為愛因斯坦論文中同時提出的“受激吸收”。光子可能碰上E1能級的粒子,把它變成E2能級,自己消失了,所謂的鏈式反應也就沒了。

一般材料都是受激吸收的粒子多于受激輻射的粒子(低能級E1的多于高能級E2的),所以光通過強度不會放大反而會降低。要產生激光,關鍵條件是“粒子數反轉”,高能級粒子多于低能級粒子。但這個其實也沒那么難,回頭看1930年代物理學家們就有能力做出來。

1960年美國做出激光器后一年,中國馬上就由王大珩院士領頭在1961年做出了中國第一臺激光器(王老2011年去世,剛被選為改革先鋒100人之一)。只是1930年代科學家對光學理論與技術不夠融匯貫通,沒想到去做,別的重大發現很多。這讓激光的發明過程多少有一些曲折離奇,是“Maser”(微波放大器)先搞出來,才做出了“Laser”。


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紅寶石激光器


美國哥倫比亞大學的物理學家查爾斯·湯斯二戰時搞過雷達,戰后美國海軍想搞出強大光束,湯斯接了任務。1954年,湯斯終于把Maser做出來了,雖然放大的是微波,但是這為Laser的發明作好了準備。1958年,湯斯又和同事兼姐夫的阿瑟·肖洛發現,將氖光燈泡發射的光照在一種稀土晶體上,晶體會發出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。

1960年,美國休斯實驗室的梅曼制成了世界上第一臺激光器,用高強閃光燈管來激發紅寶石。這里的關鍵是要有一個“光學諧振腔”,光通過晶體一次放大的倍數并不太高,但是如果兩頭貼上反射鏡,不斷來回放大,那就厲害了。一片反射鏡再少鍍點銀漏出一部分光,出來就是人們熟悉的單向性極好的激光了。肖洛的貢獻是,把這個光學研究者已經熟悉的手法,引入到激光領域了。湯斯獲得了1964年諾貝爾物理學獎,肖洛是1981年獲得諾貝爾物理學獎的,可能是1964年名額不夠了。

1964年因為激光和湯斯同時獲得諾獎的是兩位蘇聯物理學家,尼古拉·巴索夫和亞歷山大·普羅霍羅夫。那年頭蘇聯物理學家也非常厲害,巴索夫提出的半導體激光器發展出了后來的神器:光纖激光器。


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巴索夫(右)和普羅霍羅夫(左)帶領湯斯(中)參觀他們的實驗室


巴索夫、普羅霍羅夫和湯斯的團隊一樣,1955年也搞出了一個“Maser”,氨分子束微波激發器,然后自然會想到激光。巴索夫的貢獻是,他1958年公開發表論文提出了用半導體制造激光器的想法(在半導體里實現“粒子數反轉”的理論描述),1961年又發表了“載流子注入”PN結的文章,并在1963年造出了PN結半導體激光器(美國人按他提出的原理先造出來)。

半導體激光器不如出現在教科書上的紅寶石激光器名氣大,但是專家們顯然清楚半導體激光器的理論意義,潛力要更大,所以三人并列的諾獎給了兩個蘇聯的一個美國的。

半導體激光器的優點非常多:電子直接變成光子,電光轉換效率高達50%以上,比其它類型的激光器高多了;使用壽命長達10萬小時以上,比其它類型長很多;半導體還能調制輸出,別的類型辦不到;體積小、重量輕、性價比高,半導體比紅寶石之類的材料要便宜。

其實要理解半導體激光器的優點并不難,雖然一般人可能沒留意,但是LED(發光二極管)燈是人人都見過的。LED發光的原理就是載流子在PN結里復合時,將多余能量用光的形勢放出來,電流直接變成光,而不是象白熾燈泡那樣要把燈絲燒熱。所以LED燈相對傳統燈泡有一堆優點,色彩多、光強可調制、壽命長、成本低之類的,就和上面說的半導體激光器的優點差不多。半導體激光,可以理解成在LED發光的原理上,再加上光學諧振腔的放大效應,而且這個諧振腔也不必新建,在半導體內部就有了。

激光是罕見的一發明出來立刻就能實用的技術,1961年就用來動手術了。因為激光的特性實在太突出了,所有光子的一致性特別好,對著一個方向,能量作用于一點,可以比太陽耀眼上百萬倍。拿功率大點的激光對準什么東西,切割搞加工都可以。切割、焊接、測量、打標各種用途很多,在通信、工業加工、醫療、美容等無數個行業應用,不斷替換傳統工藝。

現在我們來聊光纖激光器。2017年全球工業激光器銷售額20億美元,其中48%是光纖激光器。光纖激光器的關鍵人物是俄羅斯人瓦倫京·加彭切夫(Valentin Gapontsev)。


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瓦倫京·加彭切夫(Valentin Gapontsev)


加彭切夫生于1939年,是激光材料物理領域的資深科學家,蘇聯科學院無線電工程及電子科學研究實驗室的負責人,正宗的蘇聯技術出身。蘇聯以及解體后的俄羅斯人似乎辦企業不太靈,但是加彭切夫行!加彭切夫1990年創立了IPG光子,2006年在納斯達克上市(簡稱IPGP),2017年營收14億美元,目前市值60億美元,是業界最知名的光纖激光器企業。加彭切夫持有IPG近半股份,是億萬富豪,雖然79歲了仍然任公司董事會主席和CEO。


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2009年加彭切夫陪同梅德韋杰夫總統和交通部長索科洛夫參觀IPG在俄羅斯的生產基地


2009年,加彭切夫獲得了美國激光協會頒發的阿瑟·肖洛獎,這是業界對他學術成就的認可。2010年,加彭切夫獲得了俄羅斯國家科技獎,是俄羅斯科技最高榮譽。其實加彭切夫是俄羅斯美國雙重國籍,IPG公司總部在美國馬薩諸塞,制造工廠在美國、德國、俄羅斯和意大利。但是加彭切夫獲這個獎是名正言順的,公司的創立發展與蘇聯俄羅斯關系很深。

讓加彭切夫榮譽等身又發了大財的光纖激光器是什么東西?沒有光纖激光器之前,市場上用來作材料處理的工業激光主要是氣體激光器和晶體激光器。氣體激光器,典型代表是CO2激光器。晶體激光器代表是YAG激光器,YAG指的是添加釹或鐿的釔鋁石榴石。


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100瓦的CO2激光打標機


激光打標就是用激光在金屬或非金屬材料上打上精美圖案文字。CO2激光機以CO2作為工作物質負責產生激光輻射,一起充入放電管的還有輔助氣體氮氣和氦氣。電極上加高壓時,放電管中產生輝光放電,使氣體分子釋放出激光,能量放大后,形成激光束。打標就通過電腦控制振鏡,改變激光束光路實現自動打標。CO2激光機體積大、結構復雜、維護困難。


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YAG激光器


YAG激光器,需要用氪氣或氙氣燈管作為“泵浦燈”,發出光來照到Nd:YAG晶體產生激光。泵浦燈的發射光譜是寬帶連續譜,僅少數光譜峰被Nd離子吸收,大部份沒被吸收的光譜能量轉成了熱能,所以能量的使用率偏低。

雖然說CO2和YAG激光器有這樣那樣的缺點,但是搞出來的大功率激光在工業界還是很有用的。工業界常有這樣的例子,老一代產品把市場培養起來,工藝切換,然后新一代產品又實現效率提升。光纖激光器就是用來提升效率的。

前面說了,半導體激光器優點很多,但是為什么開始沒發展起來?因為它有一個致命弱點:發出來的激光質量不行。晶體激光器的輸出光束質量高,有很高的時間和空間相干性,號稱發射一束激光到月球上只有2公里的光斑。半導體激光器的光譜線寬與光束發散角,比晶體激光器要高幾個量級,主要功能不行,那一堆優點就意義不大了。

一個辦法是,讓半導體激光器當晶體激光器的泵浦,把二者的優勢結合起來。半導體激光器發出的光源,經過晶體激光器“優化”之后,形成高質量的光束再發出去。但是這個方案也有問題,塊狀晶體吸收波長短的高能量光子,轉化為波長較長的低能量光子,總有一部分能量以無輻射躍遷的方式轉換為熱能。這部分熱能如果在塊狀晶體中散不出去,那就要命了,一會就燒毀了,所以散熱問題很重要。

如果能把塊狀晶體做成細長條,散熱面積就非常大了,能解決問題,這其實就是做成光纖的樣子。1964年就有人做出了玻璃激光器,晶體用的就是光纖,雖然光源不是半導體激光器的。但那時光纖本身也沒發展起來,缺陷很大,光源很難聚焦到光纖,所以這條路線20多年沒什么進展。

到1980年代,作為泵浦的半導體激光器進展很大,光纖隨著網絡通信的大發展也進步非常大,光纖激光器的技術條件慢慢成熟了。1987年英國南安浦頓大學和美國貝爾實驗室證明了摻鉺光纖放大器的可行性,取得了關鍵的科研突破。但是產業突破是加彭切夫1990年創立的IPG堅持多年后實現的。光纖激光器是非常高端的高科技,涉及多個學科。作為泵浦的半導體激光器的功率要能做大,光纖的放大性能也要不斷改進。光纖改進的絕招就是在里面加各種稀土元素。IPG是典型的西方國家高科技企業,研發很不簡單,產品利潤率也高達50%~60%。

光纖激光器有半導體激光器的一系列優點,又有晶體激光器光束質量高的優點。從產業上來說,比起CO2激光器和YAG激光器,光纖激光器的優點一目了然,優勢大到沒什么好比的。光纖激光器有絕對理想的光束質量,又有半導體激光器超高的轉換效率,又象光纖和LED燈一樣完全免維護,穩定性高,體積還很小,真的是非常完美的產品。

當然,高科技新產品出來都有一個缺點:貴。對IPG來說,這不是問題,有這么多優點的激光器,賣高價是理所當然的,就算成本高企業也能夠大發展。

這時,我們終于要說中國了。在前述激光與光纖激光器的科學發展過程中,似乎沒中國什么事。但是要說產品貴,產業發展需要降成本,那就是中國的拿手好戲了。

其實IPG的主要市場就是在中國。IPG搞的是工業激光,中國工業產值世界最高,需求當然也最大。雖然IPG開始是在歐美做,但是中國市場份額越來越高,到2018年2季度,IPG的銷售額49%靠的是中國市場。

對消費者或者工業應用,光纖激光器并不能直接就用,需要做成各種“激光打標機”“激光切割機”來用。中國象大族激光這樣的龍頭廠家,就是生產打標機、切割機的。IPG生產的光纖激光器,大族激光買來做成加工機器,是天作之合。就算光纖激光器這個部件很貴,大族生產的機器其它成本便宜,最終客戶看到的產品就是性能很好,價格可以接受的升級產品。所以中國市場幫了IPG的大忙,整機走量攤薄成本,光纖激光器的應用就繁榮起來,整個產業鏈滾動發展。

但是IPG對中國市場抱怨很大。這也是歐美科技企業的常態,對中國市場愛恨交加,情緒復雜。


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IPG五年的股價走勢


從IPG的股價走勢看,到2018年初,比2014年翻了三倍多,大牛股的感覺。但是2018年就跌了50%,比較慘。這是為什么?是不是大族激光對IPG生了二心,自己搞了光纖激光器?并沒有,大族其實是一直支持IPG的。2018年IPG的業績也繼續增長。

IPG發言人在2018年7月31日的二季度業績說明會是這樣說的(轉自華泰機械研究團隊):

記者問:

早上好。在中國,特別是在銳科這個試圖上市的過程中,您是否看到競爭環境發生任何變化?

IPG發言人:

相對來說,我們不相信銳科有未來。從產品的質量和在沒有外協的幫助下的競爭來看,銳科僅有極其有限的機會,燒蝕市場是瘋狂的。對于像銳科這樣的中國公司,他們摧毀了市場。他們降價再降價,在很小的利潤率范圍內運營,他們實際上破壞了市場價格。每一年,(包括今年),他們的價格幾乎下降50%甚至更多,這真是太瘋狂了。我們不明白他們是如何工作的,令人難以置信。

這是真的。在這之前的打標市場很健康,但他們摧毀了市場。現在雖然產量在增長,但在價格方面實際上已經破壞了,即使是中國的主要參與者在打標市場上也根本沒有利潤。他們正在試圖毀掉所有的供應商,當然,我們有更好的機會。我們的制造成本比“我們認為的他們的制造成本”便宜得多。但價格正在下降,這是一個主要問題。產量在增長,但是收入的增長實際上有問題,這影響了低端產品的最終收入。

我們今年非常努力地降低產品成本。同樣,從明年開始,我們推出新一代高功率光纖激光器,比現有生產線更高效,更完美,而且成本更低。從制造成本來看,我們再次下降20%至30%,并且即使在平均售價下降的情況下也支持同樣高的盈利能力,但它會影響收入。中國人實際上破壞了市場。

IPG發言人顯然非常不爽,但還是表現了對IPG的信心,認為成本沒問題。這里說的銳科,是幾個歸國博士在武漢創辦的光纖激光器企業。其實做光纖激光器的中國企業還有幾家,如在深圳的創鑫、杰普特。

銳科代表了中國眾多科技企業的煩人傾向:雖然原創不多,但是也能把技術含量不低的高科技產品鼓搗出來。然后在中國特殊的研發環境里,這些中國公司熱衷于瘋狂地降低成本,以此獲得競爭優勢。

和IPG發言人聲稱的不同,中國公司確實可以在保證一定利潤的前提下猛降成本,沒有殺死市場,實際效果是讓應用快速推廣。實際上工業激光能到現在這個普及程度,靠的就是中國兇猛的降成本和應用推廣。印度和越南這樣制造業應用需求有一定規模的國家,也用上了中國產的低成本工業激光設備,對銳科的產品還相當認可。三星在越南的工廠就用了大量中國公司的機器。

中國公司的選擇可以理解,與其投入成果未知的原創研發,不如把一定能實現的狠降成本做好。市場欣賞高性能的產品,但是低成本產品最終會占領主要的市場。中國IT互聯網企業會燒錢占領市場擠死對手,但是制造業企業還是會保證利潤的。只是在競爭之下,這種利潤率不會太高,有時顯得把高大上的高科技行業做得格調不高。


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深圳大族激光生產車間


大族激光因為和IPG合作賺錢的良好關系,愿意支持IPG,作為大客戶也能享受優惠價格。大族激光的主要競爭對手是武漢的華工系公司,銳科推廣市場靠的就是同在武漢的華中激光等公司。使用銳科國產光纖激光器的競品出來時,大族和IPG一起大降價企圖擠死對手。

然而這種守著分寸的企業,也無力抵抗整個技術環境。

2010年IPG一臺20瓦光纖激光器可以賣到15萬以上,現在銳科的報價是8800,IPG實在沒法競爭。最后,大族激光自己也搞上了。據說招數很簡單,找國產廠家說要幾臺光纖激光器用用看,讓開放接口定義,找些人就山寨成功了,后來就不買了。

中國公司可以瘋狂降成本,是因為量大產業鏈齊全。例如光學鏡片,德國的要一萬,國產的只要一千。氣缸導軌之類的部件都國產化了,沒有國產化的核心部件很少。國產化推進下,成本降得很快,2015年一臺3瓦的紫外激光器賣9萬,現在2萬的已經出來了。而且中國研發人員多,將產業競爭變成了快速滿足客戶需求的競賽。

大族激光和韓國EO在越南競爭時,配置一樣的產品就便宜十幾萬,因為找IPG的部件價格便宜,而且派大批年青工程師去三星的越南工廠日夜調試。EO派出的韓國工程師人少而且頭發都白了,實在拼不過。美國公司的自動化激光設備工期要半年,中國公司直接30%報價,工期一個月。而且美國那邊是快退休的老工程師做,退休了就沒人會做了。

大批消費電子行業企業都在深圳東莞一帶,就算是武漢的企業派人過來常駐也容易。產品推出的時候,有問題是一定的,但可以到現場立刻改進,過一陣子就非常穩定了。這樣工業激光在消費電子行業就成了標準應用,價格也變白菜了,又普及到其它行業去了。


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金屬激光打標機


在中國這個研發環境里,會覺得工業激光設備并不難造。幾個人就敢開公司找各廠家采購到各種部件組裝起來,賣打標機之類的標準設備,90年代30萬一個的,現在2萬塊錢一個(就是IPG發言人說摧毀了市場的東西)。這種公司雖然不怎么搞研發,但是把普及應用推廣做好,也能幫上游廠家擴大市場。這種現象在國外就比較罕見。中國搞工業機器降成本實在太厲害。

其實印度越南人看到這些機器,真要去想,多半會和懂行的中國人一樣,認為這種東西沒什么難做的。但是印度越南人都不會去做這些機器,實在無利可圖。中國人自己做也就10%的利潤率,印度越南要在本地生產,各種配套都沒有,哪怕是最簡單的鈑金也不一定有。而且降成本一定要有足夠的量。印度越南自己生產一個條件也沒有,還是找中國公司買最合算。

就算政府補貼去做這種行業,總得有一定的利潤率才做得下去,不然長期補貼也不是辦法。所以,看似簡單容易的東西,反而是不會去做的。

其實還有一個辦法,就是到中國的低成本環境來開廠:蹭成本。例如光波公司(名字就叫光波),以前生產線在美國,后來就把低功率生產線轉到深圳來了。這個公司也不是說有什么研發優勢,就是到深圳生產成本低,在國際上競爭力增強。老板是美籍華人,所以對降成本這一套能理解。為什么說是“蹭成本”,因為對中國沒什么技術貢獻。但是還是能看出美國公司與中國公司的風格差異。

按美國對高科技公司的理解,客戶應該尊重公司給出的技術產品,行業是技術驅動的,客戶不能急,要等技術公司做出越來越厲害的產品,銷售要等技術人員高大上的研發,工作節奏慢,下班時間找不到人。但是中國公司的理解不一樣,雖說是高科技行業,光纖激光器也算是正宗的高科技產品,但硬是弄成了銷售公司。客戶有需求了,銷售就來追了,技術人員就得去客戶那現場排錯。銷售至上,技術服從銷售任務。光波這樣的美國公司雖然說來降成本了,但是節奏還是對不上,有時訂單來了卻沒貨。

IPG為什么不來中國開廠降成本?它一半的生意在中國,中國市場成就了它,到中國開生產廠本來是很正常的思維。

但是真不敢來,被山寨的風險無法承受,所以只在北京開了銷售和技術支持公司。IPG還有些技術優勢,如2000瓦以上的高功率設備占有率不錯。但是這也不能說有多保險,銳科等公司已經在做高功率設備了,1萬瓦的都已經有了,只是還不穩定,沒有什么本質的困難說做不出來。IPG的股價大跌可以理解。

在IPG面對的市場,工業激光設備在取代傳統加工設備,光纖激光器在取代傳統激光器,整個行業看上去一片光明。但是中國公司已經占領了低功率市場,成本降得無法理解。從前蘇聯傳下來的半導體激光技術發展成了光纖激光器,因為中國的巨大需求與降成本推廣興盛起來。這個市場未來會變成什么樣,沒有人知道。

來源:虎嗅網

本文來自微信公眾號:風云之聲(ID:fyvoice),作者:袁嵐峰,封面:視覺中國


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