激光顯示上游核心器件系列：激光器

成本高昂是過(guò)去限制激光顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展的因素，產(chǎn)業(yè)降本有望提升激光顯示在下游應(yīng)用場(chǎng)景中的滲透率，進(jìn)一步開(kāi)拓潛在市場(chǎng)空間。我們認(rèn)為，研究激光顯示產(chǎn)品原材料構(gòu)成以及相關(guān)行業(yè)產(chǎn)業(yè)化、國(guó)產(chǎn)化的發(fā)展對(duì)激光顯示行業(yè)滲透率提升進(jìn)程具有重要參考意義。激光顯示產(chǎn)品核心原材料包括：激光器、顯示芯片以及鏡頭，本篇報(bào)告?zhèn)戎赜趯?duì)激光器進(jìn)行詳細(xì)分析，激光器是光源的核心器件，光源在激光顯示產(chǎn)品成本占比約40%。

1.1 激光器構(gòu)造

激光器是利用受激輻射方法產(chǎn)生可見(jiàn)光或不可見(jiàn)光的一種器件，構(gòu)造復(fù)雜，技術(shù)壁壘較高，是大量光學(xué)材料和元器件組成的綜合系統(tǒng)，居于整個(gè)激光產(chǎn)業(yè)鏈的核心中樞位置，主要由光學(xué)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機(jī)械機(jī)構(gòu)四個(gè)部分組成，其中光學(xué)系統(tǒng)主要由泵浦源（激勵(lì)源）、增益介質(zhì)（工作物質(zhì)）和諧振腔等光學(xué)器件材料組成。作為終端設(shè)備的核心光學(xué)系統(tǒng)，激光器的性能往往直接決定激光設(shè)備輸出光束的質(zhì)量和功率，是下游激光設(shè)備最核心的部件。

泵浦源（激勵(lì)源）為增益介質(zhì)提供能量激勵(lì)。增益介質(zhì)受激后產(chǎn)生光子從而生成并放大激光。諧振腔是光子特性（頻率、相位和運(yùn)行方向）的調(diào)節(jié)場(chǎng)所，通過(guò)控制腔內(nèi)光子振蕩來(lái)獲得高質(zhì)量的輸出光源。

1.2 激光器類(lèi)型

根據(jù)增益介質(zhì)的不同，激光器可以分為固態(tài)（含固體、半導(dǎo)體、光纖、混合）、液體激光器、氣體激光器等。由于穩(wěn)定性好、功率較高、維護(hù)成本低，固態(tài)激光器的應(yīng)用占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。固態(tài)激光器中，半導(dǎo)體激光器具有效率高、體積小、壽命長(zhǎng)、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代激光技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，具有戰(zhàn)略性的發(fā)展意義。

顯示光子類(lèi)型下，半導(dǎo)體激光器可分為紅、綠、藍(lán)三色激光器。固態(tài)激光器中的半導(dǎo)體激光器可直接使用也可作為光纖激光器和固體激光器等其他激光器的泵浦。依據(jù)不同的光子類(lèi)型，下游激光器類(lèi)型眾多。顯示光子分為紅、綠、藍(lán)三色激光器，主要用于激光電視、激光投影、汽車(chē)車(chē)燈等領(lǐng)域。

1.3 激光器產(chǎn)業(yè)鏈

激光器產(chǎn)業(yè)鏈上游由光學(xué)材料、光學(xué)器件、數(shù)控系統(tǒng)及電學(xué)器件構(gòu)成，是激光產(chǎn)業(yè)的基石，準(zhǔn)入門(mén)檻較高。代表企業(yè)：國(guó)外企業(yè)Lumentum，Ⅱ-Ⅵ，歐司朗以及國(guó)內(nèi)企業(yè)福晶科技、海創(chuàng)光電等。中游是利用上游激光芯片及光電器件、模組、光學(xué)元件等作為泵浦源進(jìn)行各類(lèi)激光器的制造與銷(xiāo)售，包含光纖激光器及半導(dǎo)體激光器等。代表企業(yè)包括國(guó)外企業(yè)IPG、SPI以及國(guó)內(nèi)企業(yè)創(chuàng)鑫激光及銳科激光等。下游指激光加工設(shè)備，終端包含汽車(chē)、石油、航空航天等應(yīng)用行業(yè)。

2.1 中國(guó)激光技術(shù)起步早，停滯期后加速追趕

我國(guó)激光技術(shù)起步較早，起初與國(guó)際差距不大，在上世紀(jì)60年代，激光器研發(fā)進(jìn)程與國(guó)際同步，在十余年的停滯期間與國(guó)際拉開(kāi)差距，1980年后我國(guó)激光行業(yè)步入快速發(fā)展階段，中國(guó)政府將激光技術(shù)列為2006-2020年期間重點(diǎn)發(fā)展的前沿技術(shù)之一，而今我國(guó)中低功率的光纖激光器已完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代。

2.2 光纖激光器實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，半導(dǎo)體激光器國(guó)產(chǎn)化率仍處較低水平

半導(dǎo)體激光器占全球激光器市場(chǎng)規(guī)模的40-45%。Laser Focus World數(shù)據(jù)顯示，2015-2021年預(yù)計(jì)全球激光器市場(chǎng)規(guī)模從97億元提升到185億元，其中二極管激光器（即半導(dǎo)體激光器）占比在40%-45%區(qū)間，預(yù)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模從42億元提升至79億元。

激光器用途廣泛，應(yīng)用于娛樂(lè)、顯示與打印領(lǐng)域激光器銷(xiāo)售額達(dá)4.40億美元，占比約為3%。激光器的用途十分廣泛，目前可應(yīng)用于材料加工、通訊、傳感、研發(fā)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。據(jù)《2020年中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，2019年材料加工與光刻市場(chǎng)/通信與光儲(chǔ)存市場(chǎng)/科研與軍事市場(chǎng)/醫(yī)療與美容市場(chǎng)/儀器與傳感器市場(chǎng)/娛樂(lè)、顯示與打印市場(chǎng)的銷(xiāo)售額分別為60/40/18/13/12/4億美元，占比分別為41%/27%/12%/9%/8%/3%。

政策大力支持激光行業(yè)發(fā)展，我國(guó)激光行業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展階段，國(guó)產(chǎn)化進(jìn)展加快。21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)發(fā)布多項(xiàng)政策大力支持激光行業(yè)發(fā)展，2009年科技部發(fā)布《國(guó)家火炬計(jì)劃優(yōu)先發(fā)展技術(shù)領(lǐng)域》，提出要發(fā)展新型激光加工設(shè)備，包括大功率激光器、激光精密加工和蝕刻成套設(shè)備、激光切割設(shè)別等。2017年我國(guó)將高性能激光器、準(zhǔn)分子激光退火設(shè)備、半導(dǎo)體激光器件、高性能全固態(tài)激光器件、光纖激光器件、固態(tài)激光材料以及稀土激光晶體等納入到戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品。

我國(guó)激光器行業(yè)規(guī)模發(fā)展迅速，在全球激光器市場(chǎng)中所占比重逐步提升。2020年中國(guó)激光器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)109億元，占全球激光器市場(chǎng)69%的份額。從激光器結(jié)構(gòu)來(lái)看，國(guó)產(chǎn)光纖激光器行業(yè)發(fā)展迅速，已逐步實(shí)現(xiàn)由以來(lái)進(jìn)口向自主研發(fā)、替代進(jìn)口到出口的轉(zhuǎn)變。據(jù)2020年中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)至2020年小功率光纖激光器可以近100%國(guó)產(chǎn)化，中功率/大功率光纖激光器國(guó)產(chǎn)化率預(yù)計(jì)為61%/58%。

中國(guó)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)化較晚，國(guó)產(chǎn)化率較低。2019年中國(guó)半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)規(guī)模僅占全球半導(dǎo)體激光器行業(yè)的5%。半導(dǎo)體激光器除了隨著直接使用之外，也是光纖激光器的泵浦源，隨著我國(guó)光纖激光器行業(yè)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器將與工業(yè)激光市場(chǎng)共同發(fā)展，并隨著光纖激光器的爆發(fā)而迎來(lái)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，2015-2019年我國(guó)半導(dǎo)體激光器行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模從9億元提升至20億元，期間復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)23%。

3.1 激光顯示技術(shù)核心器件——三基色單色激光器

激光顯示使用三基色單色激光器（紅色、藍(lán)色、綠色激光器）或單色激光器+熒光輪進(jìn)行顯示成像。顯示用激光器經(jīng)歷了從氣體激光器、全固態(tài)激光器到半導(dǎo)體激光器的轉(zhuǎn)變。早期，顯示光源主要為氬離子激光 / 氪離子激光等氣體激光器。由于氣體激光器體積大、耗電高、壽命短且易損壞，不能使激光顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；上世紀(jì)80年代末，大功率半導(dǎo)體激光及全固態(tài)激光器應(yīng)用于激光顯示領(lǐng)域，激光顯示技術(shù)向?qū)嵱没~進(jìn)；進(jìn)入21世紀(jì)后，半導(dǎo)體激光器性能提升，應(yīng)用于激光顯示中具競(jìng)爭(zhēng)力，中科院許祖彥院士曾總結(jié)過(guò)半導(dǎo)體激光器作為顯示光源的優(yōu)勢(shì)：1）可由電流直接激勵(lì)，效率更高；2）工作物質(zhì)衰減較慢，使用壽命長(zhǎng)；3）體積小。