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这是一个产业的故事,但先说点简单的科学常识。

激光是20世纪的重大科技发明之一,英文名“Laser”,1964年钱学森建议中文名为“激光”。激光的科学原理“受激辐射”是爱因斯坦1917年提出的,其实挺简单的,高中物理知识就能理解。

爱因斯坦指出,处于高能级E2的粒子,当频率为V=/h的光子入射时,粒子会以一定概率,迅速地从能级E2跃迁到能级E1,同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子,这叫受激辐射。

看出厉害了不?一个光子变出另一个完全一样的了,这两光子接下去会干啥?没错,这两个又去找别的粒子开火,变成四个了。这个过程就象核爆炸链式反应,光子数量迅速增加,相当于原来的光信号被放大了。“Laser”其实是Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation的缩写。

这是爱因斯坦提出的又一个诺贝尔奖级别的理论成果,但是直到他去世5年以后的1960年,激光器才做出来。为啥要这么长时间?因为爱因斯坦论文中同时提出的“受激吸收”。光子可能碰上E1能级的粒子,把它变成E2能级,自己消失了,所谓的链式反应也就没了。

一般材料都是受激吸收的粒子多于受激辐射的粒子(低能级E1的多于高能级E2的),所以光通过强度不会放大反而会降低。要产生激光,关键条件是“粒子数反转”,高能级粒子多于低能级粒子。但这个其实也没那么难,回头看1930年代物理学家们就有能力做出来。

1960年美国做出激光器后一年,中国马上就由王大珩院士领头在1961年做出了中国第一台激光器(王老2011年去世,刚被选为改革先锋100人之一)。只是1930年代科学家对光学理论与技术不够融汇贯通,没想到去做,别的重大发现很多。这让激光的发明过程多少有一些曲折离奇,是“Maser”先搞出来,才做出了“Laser”。

红宝石激光器

美国哥伦比亚大学的物理学家查尔斯·汤斯二战时搞过雷达,战后美国海军想搞出强大光束,汤斯接了任务。1954年,汤斯终于把Maser做出来了,虽然放大的是微波,但是这为Laser的发明作好了准备。1958年,汤斯又和同事兼姐夫的阿瑟·肖洛发现,将氖光灯泡发射的光照在一种稀土晶体上,晶体会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。

1960年,美国休斯实验室的梅曼制成了世界上第一台激光器,用高强闪光灯管来激发红宝石。这里的关键是要有一个“光学谐振腔”,光通过晶体一次放大的倍数并不太高,但是如果两头贴上反射镜,不断来回放大,那就厉害了。一片反射镜再少镀点银漏出一部分光,出来就是人们熟悉的单向性极好的激光了。肖洛的贡献是,把这个光学研究者已经熟悉的手法,引入到激光领域了。汤斯获得了1964年诺贝尔物理学奖,肖洛是1981年获得诺贝尔物理学奖的,可能是1964年名额不够了。

1964年因为激光和汤斯同时获得诺奖的是两位苏联物理学家,尼古拉·巴索夫和亚历山大·普罗霍罗夫。那年头苏联物理学家也非常厉害,巴索夫提出的半导体激光器发展出了后来的神器:光纤激光器。

巴索夫、普罗霍罗夫和汤斯的团队一样,1955年也搞出了一个“Maser”,氨分子束微波激发器,然后自然会想到激光。巴索夫的贡献是,他1958年公开发表论文提出了用半导体制造激光器的想法(在半导体里实现“粒子数反转”的理论描述),1961年又发表了“载流子注入”PN结的文章,并在1963年造出了PN结半导体激光器(美国人按他提出的原理先造出来)。

半导体激光器不如出现在教科书上的红宝石激光器名气大,但是专家们显然清楚半导体激光器的理论意义,潜力要更大,所以三人并列的诺奖给了两个苏联的一个美国的。

半导体激光器的优点非常多:电子直接变成光子,电光转换效率高达50%以上,比其它类型的激光器高多了;使用寿命长达10万小时以上,比其它类型长很多;半导体还能调制输出,别的类型办不到;体积小、重量轻、性价比高,半导体比红宝石之类的材料要便宜。

其实要理解半导体激光器的优点并不难,虽然一般人可能没留意,但是LED灯是人人都见过的。LED发光的原理就是载流子在PN结里复合时,将多余能量用光的形势放出来,电流直接变成光,而不是象白炽灯泡那样要把灯丝烧热。所以LED灯相对传统灯泡有一堆优点,色彩多、光强可调制、寿命长、成本低之类的,就和上面说的半导体激光器的优点差不多。半导体激光,可以理解成在LED发光的原理上,再加上光学谐振腔的放大效应,而且这个谐振腔也不必新建,在半导体内部就有了。

激光是罕见的一发明出来立刻就能实用的技术,1961年就用来动手术了。因为激光的特性实在太突出了,所有光子的一致性特别好,对着一个方向,能量作用于一点,可以比太阳耀眼上百万倍。拿功率大点的激光对准什么东西,切割搞加工都可以。切割、焊接、测量、打标各种用途很多,在通信、工业加工、医疗、美容等无数个行业应用,不断替换传统工艺。

现在我们来聊光纤激光器。2017年全球工业激光器销售额20亿美元,其中48%是光纤激光器。光纤激光器的关键人物是俄罗斯人瓦伦京·加彭切夫(Valentin
Gapontsev)。

加彭切夫生于1939年,是激光材料物理领域的资深科学家,苏联科学院无线电工程及电子科学研究实验室的负责人,正宗的苏联技术出身。苏联以及解体后的俄罗斯人似乎办企业不太灵,但是加彭切夫行!加彭切夫1990年创立了IPG光子,2006年在纳斯达克上市,2017年营收14亿美元,目前市值60亿美元,是业界最知名的光纤激光器企业。加彭切夫持有IPG近半股份,是亿万富豪,虽然79岁了仍然任公司董事会主席和CEO。

2009年加彭切夫陪同梅德韦杰夫总统和交通部长索科洛夫参观IPG在俄罗斯的生产基地

2009年,加彭切夫获得了美国激光协会颁发的阿瑟·肖洛奖,这是业界对他学术成就的认可。2010年,加彭切夫获得了俄罗斯国家科技奖,是俄罗斯科技最高荣誉。其实加彭切夫是俄罗斯美国双重国籍,IPG公司总部在美国马萨诸塞,制造工厂在美国、德国、俄罗斯和意大利。但是加彭切夫获这个奖是名正言顺的,公司的创立发展与苏联俄罗斯关系很深。

让加彭切夫荣誉等身又发了大财的光纤激光器是什么东西?没有光纤激光器之前,市场上用来作材料处理的工业激光主要是气体激光器和晶体激光器。气体激光器,典型代表是CO2激光器。晶体激光器代表是YAG激光器,YAG指的是添加钕或镱的钇铝石榴石。

100瓦的CO2激光打标机

激光打标就是用激光在金属或非金属材料上打上精美图案文字。CO2激光机以CO2作为工作物质负责产生激光辐射,一起充入放电管的还有辅助气体氮气和氦气。电极上加高压时,放电管中产生辉光放电,使气体分子释放出激光,能量放大后,形成激光束。打标就通过电脑控制振镜,改变激光束光路实现自动打标。CO2激光机体积大、结构复杂、维护困难。

YAG激光器

YAG激光器,需要用氪气或氙气灯管作为“泵浦灯”,发出光来照到Nd:YAG晶体产生激光。泵浦灯的发射光谱是宽带连续谱,仅少数光谱峰被Nd离子吸收,大部份没被吸收的光谱能量转成了热能,所以能量的使用率偏低。

虽然说CO2和YAG激光器有这样那样的缺点,但是搞出来的大功率激光在工业界还是很有用的。工业界常有这样的例子,老一代产品把市场培养起来,工艺切换,然后新一代产品又实现效率提升。光纤激光器就是用来提升效率的。

前面说了,半导体激光器优点很多,但是为什么开始没发展起来?因为它有一个致命弱点:发出来的激光质量不行。晶体激光器的输出光束质量高,有很高的时间和空间相干性,号称发射一束激光到月球上只有2公里的光斑。半导体激光器的光谱线宽与光束发散角,比晶体激光器要高几个量级,主要功能不行,那一堆优点就意义不大了。

一个办法是,让半导体激光器当晶体激光器的泵浦,把二者的优势结合起来。半导体激光器发出的光源,经过晶体激光器“优化”之后,形成高质量的光束再发出去。但是这个方案也有问题,块状晶体吸收波长短的高能量光子,转化为波长较长的低能量光子,总有一部分能量以无辐射跃迁的方式转换为热能。这部分热能如果在块状晶体中散不出去,那就要命了,一会就烧毁了,所以散热问题很重要。

如果能把块状晶体做成细长条,散热面积就非常大了,能解决问题,这其实就是做成光纤的样子。1964年就有人做出了玻璃激光器,晶体用的就是光纤,虽然光源不是半导体激光器的。但那时光纤本身也没发展起来,缺陷很大,光源很难聚焦到光纤,所以这条路线20多年没什么进展。

到1980年代,作为泵浦的半导体激光器进展很大,光纤随着网络通信的大发展也进步非常大,光纤激光器的技术条件慢慢成熟了。1987年英国南安浦顿大学和美国贝尔实验室证明了掺铒光纤放大器的可行性,取得了关键的科研突破。但是产业突破是加彭切夫1990年创立的IPG坚持多年后实现的。光纤激光器是非常高端的高科技,涉及多个学科。作为泵浦的半导体激光器的功率要能做大,光纤的放大性能也要不断改进。光纤改进的绝招就是在里面加各种稀土元素。IPG是典型的西方国家高科技企业,研发很不简单,产品利润率也高达50%~60%。

光纤激光器有半导体激光器的一系列优点,又有晶体激光器光束质量高的优点。从产业上来说,比起CO2激光器和YAG激光器,光纤激光器的优点一目了然,优势大到没什么好比的。光纤激光器有绝对理想的光束质量,又有半导体激光器超高的转换效率,又象光纤和LED灯一样完全免维护,稳定性高,体积还很小,真的是非常完美的产品。

当然,高科技新产品出来都有一个缺点:贵。对IPG来说,这不是问题,有这么多优点的激光器,卖高价是理所当然的,就算成本高企业也能够大发展。

这时,我们终于要说中国了。在前述激光与光纤激光器的科学发展过程中,似乎没中国什么事。但是要说产品贵,产业发展需要降成本,那就是中国的拿手好戏了。

其实IPG的主要市场就是在中国。IPG搞的是工业激光,中国工业产值世界最高,需求当然也最大。虽然IPG开始是在欧美做,但是中国市场份额越来越高,到2018年2季度,IPG的销售额49%靠的是中国市场。

对消费者或者工业应用,光纤激光器并不能直接就用,需要做成各种“激光打标机”“激光切割机”来用。中国象大族激光这样的龙头厂家,就是生产打标机、切割机的。IPG生产的光纤激光器,大族激光买来做成加工机器,是天作之合。就算光纤激光器这个部件很贵,大族生产的机器其它成本便宜,最终客户看到的产品就是性能很好,价格可以接受的升级产品。所以中国市场帮了IPG的大忙,整机走量摊薄成本,光纤激光器的应用就繁荣起来,整个产业链滚动发展。

但是IPG对中国市场抱怨很大。这也是欧美科技企业的常态,对中国市场爱恨交加,情绪复杂。

IPG五年的股价走势

从IPG的股价走势看,到2018年初,比2014年翻了三倍多,大牛股的感觉。但是2018年就跌了50%,比较惨。这是为什么?是不是大族激光对IPG生了二心,自己搞了光纤激光器?并没有,大族其实是一直支持IPG的。2018年IPG的业绩也继续增长。

IPG发言人在2018年7月31日的二季度业绩说明会是这样说的(转自华泰机械研究团队):

记者问:早上好。在中国,特别是在锐科这个试图上市的过程中,您是否看到竞争环境发生任何变化?

IPG发言人:相对来说,我们不相信锐科有未来。从产品的质量和在没有外协的帮助下的竞争来看,锐科仅有极其有限的机会,烧蚀市场是疯狂的。对于像锐科这样的中国公司,他们摧毁了市场。他们降价再降价,在很小的利润率范围内运营,他们实际上破坏了市场价格。每一年,,他们的价格几乎下降50%甚至更多,这真是太疯狂了。我们不明白他们是如何工作的,令人难以置信。

这是真的。在这之前的打标市场很健康,但他们摧毁了市场。现在虽然产量在增长,但在价格方面实际上已经破坏了,即使是中国的主要参与者在打标市场上也根本没有利润。他们正在试图毁掉所有的供应商,当然,我们有更好的机会。我们的制造成本比“我们认为的他们的制造成本”便宜得多。但价格正在下降,这是一个主要问题。产量在增长,但是收入的增长实际上有问题,这影响了低端产品的最终收入。

我们今年非常努力地降低产品成本。同样,从明年开始,我们推出新一代高功率光纤激光器,比现有生产线更高效,更完美,而且成本更低。从制造成本来看,我们再次下降20%至30%,并且即使在平均售价下降的情况下也支持同样高的盈利能力,但它会影响收入。中国人实际上破坏了市场。

IPG发言人显然非常不爽,但还是表现了对IPG的信心,认为成本没问题。这里说的锐科,是几个归国博士在武汉创办的光纤激光器企业。其实做光纤激光器的中国企业还有几家,如在深圳的创鑫、杰普特。

锐科代表了中国众多科技企业的烦人倾向:虽然原创不多,但是也能把技术含量不低的高科技产品鼓捣出来。然后在中国特殊的研发环境里,这些中国公司热衷于疯狂地降低成本,以此获得竞争优势。

和IPG发言人声称的不同,中国公司确实可以在保证一定利润的前提下猛降成本,没有杀死市场,实际效果是让应用快速推广。实际上工业激光能到现在这个普及程度,靠的就是中国凶猛的降成本和应用推广。印度和越南这样制造业应用需求有一定规模的国家,也用上了中国产的低成本工业激光设备,对锐科的产品还相当认可。三星在越南的工厂就用了大量中国公司的机器。

中国公司的选择可以理解,与其投入成果未知的原创研发,不如把一定能实现的狠降成本做好。市场欣赏高性能的产品,但是低成本产品最终会占领主要的市场。中国IT互联网企业会烧钱占领市场挤死对手,但是制造业企业还是会保证利润的。只是在竞争之下,这种利润率不会太高,有时显得把高大上的高科技行业做得格调不高。

深圳大族激光生产车间

大族激光因为和IPG合作赚钱的良好关系,愿意支持IPG,作为大客户也能享受优惠价格。大族激光的主要竞争对手是武汉的华工系公司,锐科推广市场靠的就是同在武汉的华中激光等公司。使用锐科国产光纤激光器的竞品出来时,大族和IPG一起大降价企图挤死对手。

然而这种守着分寸的企业,也无力抵抗整个技术环境。

2010年IPG一台20瓦光纤激光器可以卖到15万以上,现在锐科的报价是8800,IPG实在没法竞争。最后,大族激光自己也搞上了。据说招数很简单,找国产厂家说要几台光纤激光器用用看,让开放接口定义,找些人就山寨成功了,后来就不买了。

中国公司可以疯狂降成本,是因为量大产业链齐全。例如光学镜片,德国的要一万,国产的只要一千。气缸导轨之类的部件都国产化了,没有国产化的核心部件很少。国产化推进下,成本降得很快,2015年一台3瓦的紫外激光器卖9万,现在2万的已经出来了。而且中国研发人员多,将产业竞争变成了快速满足客户需求的竞赛。

大族激光和韩国EO在越南竞争时,配置一样的产品就便宜十几万,因为找IPG的部件价格便宜,而且派大批年青工程师去三星的越南工厂日夜调试。EO派出的韩国工程师人少而且头发都白了,实在拼不过。美国公司的自动化激光设备工期要半年,中国公司直接30%报价,工期一个月。而且美国那边是快退休的老工程师做,退休了就没人会做了。

大批消费电子行业企业都在深圳东莞一带,就算是武汉的企业派人过来常驻也容易。产品推出的时候,有问题是一定的,但可以到现场立刻改进,过一阵子就非常稳定了。这样工业激光在消费电子行业就成了标准应用,价格也变白菜了,又普及到其它行业去了。

金属激光打标机

在中国这个研发环境里,会觉得工业激光设备并不难造。几个人就敢开公司找各厂家采购到各种部件组装起来,卖打标机之类的标准设备,90年代30万一个的,现在2万块钱一个(就是IPG发言人说摧毁了市场的东西)。这种公司虽然不怎么搞研发,但是把普及应用推广做好,也能帮上游厂家扩大市场。这种现象在国外就比较罕见。中国搞工业机器降成本实在太厉害。

其实印度越南人看到这些机器,真要去想,多半会和懂行的中国人一样,认为这种东西没什么难做的。但是印度越南人都不会去做这些机器,实在无利可图。中国人自己做也就10%的利润率,印度越南要在本地生产,各种配套都没有,哪怕是最简单的钣金也不一定有。而且降成本一定要有足够的量。印度越南自己生产一个条件也没有,还是找中国公司买最合算。

就算政府补贴去做这种行业,总得有一定的利润率才做得下去,不然长期补贴也不是办法。所以,看似简单容易的东西,反而是不会去做的。

其实还有一个办法,就是到中国的低成本环境来开厂:蹭成本。例如光波公司,以前生产线在美国,后来就把低功率生产线转到深圳来了。这个公司也不是说有什么研发优势,就是到深圳生产成本低,在国际上竞争力增强。老板是美籍华人,所以对降成本这一套能理解。为什么说是“蹭成本”,因为对中国没什么技术贡献。但是还是能看出美国公司与中国公司的风格差异。

按美国对高科技公司的理解,客户应该尊重公司给出的技术产品,行业是技术驱动的,客户不能急,要等技术公司做出越来越厉害的产品,销售要等技术人员高大上的研发,工作节奏慢,下班时间找不到人。但是中国公司的理解不一样,虽说是高科技行业,光纤激光器也算是正宗的高科技产品,但硬是弄成了销售公司。客户有需求了,销售就来追了,技术人员就得去客户那现场排错。销售至上,技术服从销售任务。光波这样的美国公司虽然说来降成本了,但是节奏还是对不上,有时订单来了却没货。

IPG为什么不来中国开厂降成本?它一半的生意在中国,中国市场成就了它,到中国开生产厂本来是很正常的思维。

但是真不敢来,被山寨的风险无法承受,所以只在北京开了销售和技术支持公司。IPG还有些技术优势,如2000瓦以上的高功率设备占有率不错。但是这也不能说有多保险,锐科等公司已经在做高功率设备了,1万瓦的都已经有了,只是还不稳定,没有什么本质的困难说做不出来。IPG的股价大跌可以理解。

在IPG面对的市场,工业激光设备在取代传统加工设备,光纤激光器在取代传统激光器,整个行业看上去一片光明。但是中国公司已经占领了低功率市场,成本降得无法理解。从前苏联传下来的半导体激光技术发展成了光纤激光器,因为中国的巨大需求与降成本推广兴盛起来。这个市场未来会变成什么样,没有人知道

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