基于專利分析的全球光纖激光器產業技術研究

曹 晨，葉 茂，章日輝

（中國科學院武漢文獻情報中心，湖北武漢 430071）

1 研究背景

光纖激光器是以光纖作為激光增益介質的激光器，主要由增益介質、泵浦源和諧振腔3個部分組成。光纖激光器使用纖芯中摻雜有稀土元素的有源光纖作為增益介質；一般采用半導體激光器作為泵浦源；諧振腔則一般利用反射鏡、光纖端面、光纖環形鏡或光纖光柵等器件構成。根據光纖激光器的時域特性，可以分為連續光纖激光器和脈沖光纖激光器；根據諧振腔結構不同，可以分為線形腔光纖激光器、分布反饋式光纖激光器和環形腔光纖激光器；根據增益光纖和泵浦方式的不同，可以分為單包層光纖激光器（纖芯泵浦）和雙包層光纖激光器（包層泵浦）［1］。隨著高端裝備制造業的興起，傳統制造業逐步邁向“光制造”時代，激光技術以其高精度、高效率、低成本等優勢，在全球范圍內得到廣泛應用［2］。光纖激光器作為第三代激光技術的代表，相對于傳統的固體激光器而言,具有高效率、低閡值、低損耗等諸多特點,可以更好地設計緊湊、小巧的結構［3］,在工業加工、醫療、遙感、安防、科研等領域有全方位的優異表現。

光纖激光器產業是高技術資金密集型產業，對技術進行專利保護是維持產業創新活動的重要保證。鑒于專利對光纖激光器產業的重要性，有必要從專利數據出發，運用專利分析手段將專利信息轉化成系統和完整的產業技術競爭情報［4］。目前，基于專利分析的產業技術研究已較為成熟，不少學者利用專利分析手段開展產業技術創新研究、產業技術機會發現研究、產業技術預測研究［5-8］。在光纖激光器領域，目前國內基于專利分析的研究十分有限，主要有如周宇暢［9］對高功率光纖激光器技術領域的專利申請趨勢進行統計并繪制專利地圖；王偉等［10］從工業光纖激光器整機、特種光纖、泵浦耦合、多模光纖光柵、半導體泵浦激光器5個領域入手，利用專利分析方法分析工業光纖激光器的發展現狀，有針對性地提出湖北省工業光纖激光器專利發展戰略；羅媛［2］提出一套光纖激光器專利戰略制定與維護框架。但是，上述研究多集中于利用專利地圖揭示特定領域的光纖激光器技術，且內容多集中于統計數據信息揭示，缺乏對專利內容的深入解讀，同時這些研究因時效性原因，也缺乏對最新技術進展的分析。鑒于此，本文全面梳理近10年全球光纖激光器專利數據，從技術態勢、區域競爭力、研究機構實力和具體專利技術內容出發，從宏觀層面判定中國（未含臺灣地區。下同）的區域競爭力，從中觀層面比較國內外研究機構的實力，最后深入到微觀層面發掘光纖激光器技術熱點研究領域，為未來的中國光纖激光器產業技術發展提供針對性建議。

2 數據來源與檢索策略

本文選用incoPat全球專利數據庫進行檢索，在進行相關文獻調研的基礎上廣泛征求專家意見，選取近10年的專利數據，構建全球光纖激光器專利檢索策略如下：TIAB=(光纖激光器 OR "Fiber Laser"OR "Fiber Lasers" OR "fiber optic laser" OR "fiber optic lasers") AND (AD=［20080101 to 20181123］)。檢索日期截至2018年11月23日，共得到相關專利文獻7 910篇（專利7 910件）。

3 專利申請態勢

從2008—2018年光纖激光器全球專利及中國專利的申請趨勢來看（如圖1）1），近10年來，光纖激光器專利全球申請量整體呈現穩步上升的態勢，2015年達到一個申請高峰。中國光纖激光器行業盡管在知識產權布局上的起步較晚，但成長態勢良好，2013年起年申請量已超過全球申請量的一半，2017年的申請量占全球申請量已高達84.95%，這標志著中國近幾年在光纖激光器領域的布局和研發熱情空前高漲。受中國專利申請量快速增長的影響，全球光纖激光器專利申請量再次進入快車道。

圖1 2008—2018年全球及中國光纖激光器專利申請趨勢

4 區域競爭力

4．1 主要優先權國家/組織受理概況

近10年來，全球光纖激光器相關優先權專利受理數量最多的前10個國家/組織依次是美國、日本、中國、世界知識產權組織（WIPO）、德國、法國、韓國、歐洲專利局（以下簡稱歐專局或EPO）、英國、俄羅斯（見表1）。其中，美國和日本兩國的專利數量遙遙領先于其他國家/組織，兩國的優先權專利數量占到了全球的65%以上，可見兩國在光纖激光器領域的研發起步早、布局多。中國表現最為活躍，近3年的優先權專利數量占全球近10年優先權專利總量的比例達31.9%。除了中國、美國和日本，近3年較為活躍的國家/組織還包括俄羅斯、德國、歐專局，這些國家/組織是目前光纖激光器相關技術的主要研發和競爭區域。

表1 2008—2018年全球光纖激光器主要優先權國家/組織受理專利數量及占比

4．2 主要國家（地區）申請量年度分布

從全球光纖激光器專利的主要申請國家（地區）的申請量年度分布來看（如圖2），中國、美國、日本申請了大量專利，尤其是中國近10年來一路高歌猛進，從2011年起專利申請量就遠超優先權布局較早的美國和日本，而美國和日本從2015年起專利申請量開始呈現下降的態勢，近3年的專利受理量占其近10年專利受理總量的比例分別為29.92%和18.66%。

圖2 2008—2018年全球光纖激光器專利主要申請國家（地區）的申請量年度分布

5 研發機構實力

5．1 企業、高校、科研院所排名

本研究檢索到的7 910件專利共涉及2 700多個專利權人，去除個人申請，篩選出機構專利權人后，對企業、高校、科研機構3種類型的專利權人按申請量進行排名，得到如下結果：

（1）從企業專利權人排名TOP15來看（如圖3），專利申請數量較多的機構主要分布在中國、日本和美國。其中，日本企業有3家：FUJIKURA LTD（藤倉）、FURUKAWA ELECTRIC CO LTD（古河電工）、PANASONIC CORP（松下電器）；美國企業有4家：IPG PHOTONICS CORPORATION（IPG光子）、IMRA AMERICA INC（IMRA）、OFS FITEL LLC（奧維信）、LOCKHEED MARTIN CORPORATION（洛克希德-馬丁）；其余8家均為中國企業。日本藤倉公司是全球光纖激光器專利的龍頭企業，美國IPG光子公司次之，中國的山東海富光子科技股份有限公司（以下簡稱海富光子）、深圳市創鑫激光股份有限公司（以下簡稱創鑫激光）、武漢銳科光纖激光技術股份有限公司（以下簡稱銳科光纖激光）、大族激光科技產業集團股份有限公司（以下簡稱大族激光）作為后起之秀，在全球光纖激光器領域也占據了重要席位，是全球領先的光纖激光器企業。專利申請量最多的4家中國企業——南京津淞涵電力科技有限公司（以下簡稱津淞涵電力）、南京匯邦智能科技有限公司（以下簡稱匯邦智能）、無錫津天陽激光電子有限公司（以下簡稱津天陽激光電子）、無錫明尼電子科技有限公司（以下簡稱明尼電子），在不同波長的海洋探測用光纖激光器、風速儀用光纖激光器、激光雷達用光纖激光器等領域申請了大量專利，從而提升了中國在光纖激光器領域的專利總量。

圖3 2008—2018年全球光纖激光器企業專利權人排名TOP15

（2）從高校專利權人TOP10排名來看（見圖4），全部為中國高校，說明中國高校在光纖激光器領域的研發熱情突出。其中，華南理工大學、北京工業大學、深圳大學、中國人民解放軍國防科技大學、北京交通大學、中國計量學院的申請總量均在65件以上。

圖4 2008—2018年全球光纖激光器高校專利權人排名TOP10

（3）從科研院所專利權人TOP10排名來看（見圖5），有7家為中國大陸的科研機構、1家為中國臺灣的科研機構，此外還有1家韓國機構和1家法國機構，可見中國的科研院所在光纖激光器領域的研發力度全球領先。其中，中國科學院上海光學精密機械研究所（以下簡稱上海光機所）、中國科學院西安光學精密機械研究所（以下簡稱西安光機所）在該領域的全球科研院所中居于龍頭地位。

圖5 2008—2018年全球光纖激光器科研院所專利權人排名TOP10

5．2 主要專利權人專利保護策略

專利保護是機構知識產權戰略的核心內容之一，通過分析主要機構專利申請活動涉及的國家、地區、組織，可以揭示其專利保護策略與市場動向。對主要專利權人在光纖激光器相關技術領域的專利保護策略進行比較可以看出（如表2），國外專利權人，包括日本藤倉、美國IPG光子、美國IMRA、美國奧維信、日本古河電工等公司，不僅注重在本國申請專利，也大都注重通過PCT途徑申請獲得國外保護，這些企業均在韓國有申請專利保護；而中國機構的光纖激光器專利申請幾乎全部集中于國內，只有深圳大學除了在國內申請相關專利，還在美國申請了4項專利，同時經PCT申請了13項專利，可見深圳大學比較注重對核心專利加強保護。

表2 2008—2018年全球光纖激光器主要專利權人的專利申請保護策略 單位：件

6 熱點研究領域

從全球光纖激光器專利申請量多于90件的前10位專利技術領域（基于IPC 大組）及其申請情況來看，光纖激光器專利重點技術方向如下：（1）激光器（H01S-003），主要子方向包括纖維激光器（H01S-003/067），控制輻射的強度、頻率、相位、極化或方向（H01S-003/10），光學諧振器或其部件的結構或形狀（H01S-003/08），利用相干光（H01S-003/094），應用一個非線性光學器件，例如呈現布里淵散射或拉曼散射的（H01S3/108）等；（2）光導、包含光導和其他光學元件（G02B-006），如耦合器的裝置的結構零部件（G02B-006），主要子方向包括帶有包層的光導纖維（G02B-006/02），包含多層的芯或包層（G02B-006/036），光耦合裝置（G02B-006/26），光波導與光電元件的耦合（G02B-006/42）等；（3）用激光束加工（B23K-026），主要子方向包括利用鏜孔或切削（B23K-026/38），激光束與工具具有相對運動的裝置（B23K-026/08），激光束的成形（B23K-026/06）等；（4）控制光束相位的設備或裝置（G02F-001）；（5）其他光學系統、其他光學儀器（G02B-027）等。結合對具體專利內容的解讀，本文歸納出全球光纖激光器專利技術熱點研究領域主要包括以下幾個方面：

（1）高功率光纖激光材料與器件。這類專利多涉及雙包層增益光纖、光纖光柵、合束器、放大器、包層光剝離器、高功率泵浦源等技術。以萬瓦級高功率光纖激光器為例，其研究熱點多集中于高功率激光光纖材料與元件、高質量激光泵浦源、高性能單頻光纖激光器、以皮秒與飛秒激光器為代表的超快光纖激光器等關鍵技術。IPG光子、IMRA、上海光機所、華南理工大學等機構在該研究領域掌握較多專利，如：采用包層光剝離器的高功率光纖激光器系統、單模高功率光纖激光器系統、低模高功率光纖合成器、多包層拉曼光纖放大器、高增益雙包層二維陣列光纖及其制作方法、利用光纖放大器產生高功率飛秒脈沖的裝置和方法［11-16］。

（2）特種光纖。特種光纖技術專利研究主要包括特種光纖放大器、特種玻璃光纖材料、多層或包芯光纖制備、大模場光纖、光子晶體光纖、光纖材料的結構和形狀等內容。北京交通大學、藤倉等機構在特種光纖及器件領域布局較多專利，如：寧提綱等［17］、胡旭東等［18］研發出多芯光纖主動可控耦合方法、多摻稀土離子多芯雙包層光纖；藤倉的PANDA型偏振保持光纖可以在維持偏光的狀態下傳送光［19］，是把光纖激光的光用波長轉換素子變為短波長時的必備技術。

（3）光纖耦合技術。光纖耦合是實現高效率、高信賴性光纖激光的重要一環，該技術領域的專利研究涉及端面泵浦耦合、側面泵浦耦合、利用相干光激光器的激勵方法、半導體激光泵源、光波導耦合裝置等技術。IPG 光子、深圳大學、中國人民解放軍國防科技大學、上海光機所、北京交通大學等是該技術領域的重點研發機構。

（4）光纖激光加工技術。光纖激光加工技術專利主要涉及激光切割、激光焊接、激光表面處理、激光打孔、激光打標等加工方法及加工裝置的研究。IMRA、藤倉、大族激光、銳科光纖激光等企業均在該領域布局了大量專利。

7 結論與建議

專利保護是產業（尤其是高新技術產業）持續、安全、健康發展的重要保障［20］。通過上述分析可以看出中國光纖激光器產業技術發展現狀水平，也在一定程度上反映出全球光纖激光器產業的競爭態勢和未來技術發展方向。總體而言，中國光纖激光器產業技術發展呈現以下特征和趨勢：

（1）專利技術高速發展，產業前景廣闊。近10年是中國光纖激光器專利技術發展的黃金時期，大量專利申請涌現，2017年中國的專利申請量占全球專利申請總量已高達84.95%，領漲全球；盡管在知識產權布局上的起步晚于美國、日本等國家，但成長態勢良好，技術研發活躍；由于光纖激光器行業屬于高端技術制造業，長期以來受到國家產業政策的重點鼓勵和大力支持，激光技術取代傳統技術在汽車、電子、航空航天、機械、冶金、鐵路、船舶等領域的廣泛應用也為光纖激光器產業提供了廣闊前景。

（2）海外布局意識欠缺，美國、日本是實力強勁的競爭對手。日本藤倉、美國IPG光子、美國IMRA、美國奧維信、日本古河電工等企業比較注重光纖激光器相關技術的研發和專利申請活動，這些機構的研發側重點各有特色，專利保護區域主要為本國、世界知識產權組織、歐專局等國家/組織，均比較關注韓國市場；而中國雖企業、高校、科研院所等不同類型的研發機構均高度參與到光纖激光器的相關研發中，但多集中于國內申請。未來，隨著產業規模的擴大和技術研發的升級，中國企業應注重海外市場專利布局，提升專利申請質量，避免和減少低水平重復研究，積極建立并形成自己的技術壁壘和保護范圍，做好風險預警和防范工作。

（3）高功率光纖激光材料與器件、特種光纖、光纖耦合技術、光纖激光加工技術是當前光纖激光器技術研發熱點。在高功率方面，我國與國外先進水平已相差不大，未來需更加注重高光束質量，可重點關注超快激光光速合成、光纖激光非線性效應調控等技術領域的研發動向。

（4）產業上游核心元器件的研發能力不足。當前國內以銳科光纖激光為代表的激光器龍頭企業已掌握部分元件制造技術，但大部分中小企業的專利申請多集中于下游激光加工領域，在光纖介質、高功率泵浦源芯片、高功率光纖光柵等核心元器件領域仍依賴進口。未來，只有提升國內激光企業整體研發實力，突破核心元器件技術壁壘，注重產業鏈上游專利研發，才能打破關鍵技術受制于人的局面。

注釋：

1）由于專利從申請到公開最晚需要18個月的時間，囿于這種審查制度以及檢索系統可能存在的更新時滯，本文中2018年數據不完整，僅供參考。