JP2956152B2

JP2956152B2 - レーザ光源

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Publication number: JP2956152B2
Application number: JP19115290A
Authority: JP
Inventors: 有史金田; 美智雄岡
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1989-08-16
Filing date: 1990-07-19
Publication date: 1999-10-04
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Also published as: JPH03155518A

Description

【発明の詳細な説明】以下の順序で本発明を説明する。

Ａ産業上の利用分野Ｂ発明の概要Ｃ従来の技術（第７図及び第８図）Ｄ発明が解決しようとする課題（第９図）Ｅ課題を解決するための手段（第１図及び第２図）Ｆ作用（第１図及び第２図）Ｇ実施例（G₁）第１の実施例（第１図及び第２図）（G₂）第２の実施例（第３図）（G₃）第３の実施例（第４図及び第５図）（G₄）第４の実施例（第６図）Ｈ発明の効果Ａ産業上の利用分野本発明はレーザ光源に関し、例えば固体レーザを励起
するレーザ光源に適用して好適なものである。

Ｂ発明の概要本発明は、レーザ光源において、それぞれ断面ビーム
形状が楕円から真円に近づけるように整形された２本の
光ビームを偏光ビームスプリッタで合成した後、所定の
光学系を介して光ファイバに入射するようにしたことに
より、小さなスポット径で、パワー密度を向上した合成
光を得ることができるようにしたものである。

Ｃ従来の技術従来、固体レーザを効率良く励起するために、レーザ
光源を用いるようになされたものがある。

すなわち、第７図に示すように側面励起方式において
は、例えば円柱形状のレーザ媒質（１）の上下端面が光
共振器を構成するようになされ、所定のレーザ光源から
その光共振器の軸Ｏと直角に、すなわちレーザ媒質の側
面に励起光L1を入射する。

このようにすれば、当該レーザ媒質（１）に入射する
励起光L1全体の光量を増大し得ることから、全体として
光強度の大きいレーザ光L0を射出し得る。

ところが、側面励起方式においては、スポット径の小
さなレーザ光L0を得ることが困難な欠点がある。

このためスポット径の小さなレーザ光を得る場合、第
８図に示すようにレーザ媒質（３）の端面から励起光L2
を入射して、レーザ媒質（３）を励起する端面励起方式
が用いられるようになされている。

すなわち、レーザ媒質（３）の、端面の前後にミラー
（４）及び（５）が配置され、全体として当該レーザ媒
質（３）から射出されるレーザ光L0の光共振器を形成す
るようになされている。

さらに、ミラー（４）は励起光L2を選択的に透過し得
るのに対し、ミラー（５）はレーザ光L0の一部を透過し
て残りを反射するようになされ、これによりミラー
（４）を透過してレーザ媒質（３）の端面から励起光L2
を入射すると共に、ミラー（５）を介して光共振器で共
振したレーザ光L0を射出するようになされている。

このようにすれば、励起光L2の入射した領域だけレー
ザ媒質（３）を励起し得、励起された領域からレーザ光
が誘導放射されることから、励起光L2のビーム径を小型
化して、スポット径の小さなレーザ光L0を出力し得る。

従って、例えばレーザダイオードから出射される光ビ
ームを励起光としてレーザ媒質の端面に入射されること
によって、レーザ媒質から所望のレーザ光L0を出力し得
る。

Ｄ発明が解決しようとする課題ところで端面励起方式において、ビーム径が小型で光
量の大きなレーザ光L0を得るためには、ビーム径が小さ
く光量の大きな励起光L2、すなわちパワー密度の大きな
励起光L2を用いてレーザ媒質（３）を励起する必要があ
る。

ところが、レーザダイオードにおいては、１〔Ｗ〕程
度の光ビームしか得られず、その励起光強度を大きくす
ることが困難な問題があった。

従って端面励起方式に適応する場合、スポット径の小
さなレーザ光L0を出力し得る反面、レーザ媒質を効率良
く励起してレーザ光L0の光強度を大きくすることが困難
になる。

この問題を解決する１つの方法として第９図に示すよ
うに、光ファイバのバンドル（７）を用いて励起光を作
成する方法が提案されている（OPTICS LETTERS/Vol.13,
No.4/April 1988,306頁〜308頁,Fiber−bundle couple
d,end−pumped Nd:YAGlaser）。

すなわちバンドル（７）においては、そのバンドル
（７）を構成する各光ファイバにレーザダイオード（8
A）〜（8N）の光ビームを入射するようになされ、これ
によりレーザダイオード（8A）〜（8N）の光ビームをこ
のバンドル（７）で集光した後、レンズ（９）及び（1
0）を介して励起光L3を作成する。

因にこの場合レーザ媒質（12）においては、バンドル
（７）側の端面に励起光L3を選択的に透過するミラー面
が形成され、これにより当該端面とミラー（５）とで光
共振器を形成するようになされている。

かくしてバンドル（７）でレーザダイオード（8A）〜
（8N）の光ビームを集光した分、励起光L3の光量を増大
し得る。

従って、バンドル（７）及び高出力のレーザダイオー
ドを用いて励起光L3を作成すれば、その分スポット径が
小さく、光強度の大きいレーザ光を射出し得ると考え
る。

ところが、高出力のレーザダイオードにおいては、ス
トライプ幅が約100［μｍ］と大きい特徴があり、この
ようなレーザダイオードの光ビームを光ファイバに入射
する場合、当該ストライプ幅より径の大きな光ファイバ
を用いる必要があった。

その結果、その分バンドル（７）で作成した励起光L3
のビーム径も大きくなり、光強度の大きい励起光L3を作
成し得る反面、結局励起光L3のスポット径が大きくな
り、パワー密度を向上することが困難な問題があった。

従って端面励起方式に適用して、光強度の大きなレー
ザ光を射出し得る反面、レーザ光のスポット径が大きく
なることを避け得なかった。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、小さな
スポット径で、パワー密度を向上することができるレー
ザ光源を提案しようとするものである。

Ｅ課題を解決するための手段かかる課題を解決するため、本発明のレーザ光源にお
いては、所定の偏光面を有する第１及び第２の光ビーム
を出射する第１及び第２の光源と、第１の光ビームの断
面ビーム形状を楕円から真円に近づけるように整形する
第１のビーム形状整形手段と、第２の光ビームの断面ビ
ーム形状を楕円から真円に近づけるように整形する第２
のビーム形状整形手段と、第１のビーム形状整形手段か
ら出射される第１の光ビームが入射される共に、その第
１の光ビームに対して90゜偏光面の傾いた状態で、第２
のビーム形状整形手段から出射される第２の光ビームが
入射され、その第１及び第２の光ビームを合成して合成
光を出射する偏光ビームスプリッタと、その偏光ビーム
スプリッタから出射される合成光を集光して、光ファイ
バに導く集光光学系とを有するようにする。

Ｆ作用かかる本発明によれば、第１のビーム形状整形手段に
よって、第１の光源からの所定の偏光面を有する第１の
光ビームの断面ビーム形状を楕円から真円に近づけるよ
うに整形し、第２のビーム形状整形手段によって、第２
の光源からの所定の偏光面を有する第２の光ビームの断
面ビーム形状を楕円から真円に近づけるように整形し、
第１のビーム形状整形手段から出射される第１の光ビー
ム及びその第１の光ビームに対して90゜偏光面の傾いた
状態で、第２のビーム形状整形手段から出射される第２
の光ビームを、偏光ビームスプリッタに入射させて、そ
の第１及び第２の光ビームを合成して合成光を出射さ
せ、集光光学系によって、その偏光ビームスプリッタか
ら出射される合成光を集光して、光ファイバに導くよう
にする。

Ｇ実施例以下図面について、本発明の実施例を詳述する。

（G₁）第１の実施例第９図との対応部分に同一符号を付して示す第２図
は、本発明を適用したレーザ発振器を示し、（20）はレ
ーザ発振器の全体を示し、レーザ光源（21A）〜（21N）
から射出されるレーザ光を集光して励起光を作成する。

第１図は本発明の第１の実施例のレーザ光源を示し、
レーザ光源（21A）〜（21N）は、それぞれ１〔Ｗ〕の光
ビームLA及びLBを射出するレーザダイオード（22A）及
び（22B）を有し、ストライプの向きが紙面に平行で、
かつ光ビームLA及びLBの光軸が直交するようにレーザダ
イオード（22A）及び（22B）を配置するようになされて
いる。

これにより、レーザダイオード（22A）及び（22B）か
ら射出される光ビームLA及びLBにおいては、矢印ａ及び
ｂで示すように偏光面が紙面に平行で、紙面と平行な方
向に約10度、紙面と垂直な方向に約30度の広がりで発散
する楕円のビーム形状で射出されるようになされてい
る。

そして、それぞれレーザダイオード（22A）及び（22
B）の光軸上には、コリメータレンズ（23A）及び（23
B）が配置され、光ビームLA及びLBを平行光線に変換す
るようになされている。

さらに、コリメータレンズ（23A）及び（23B）の光軸
上には、それぞれガラス基板（24A）及び（24B）上にプ
リズム（25A）及び（25B）とプリズム（26A）及び（26
B）とを配置して構成されたアナモプリズム（28A）及び
（28B）が配置され、これにより光ビームLA及びLBのビ
ーム形状を、扁平な楕円から円形寄りの楕円に整形する
ようになされている。

因に、この実施例においては、アナモプリズム（28
A）及び（28B）の倍率Ａを約2.5に選定して、光ビームL
A及びLBのビーム形状を、扁平な楕円から円形寄りの楕
円に整形することができた。

そして、アナモプリズム（28B）の光軸上には、光ビ
ームLBに対して偏光面を45度傾けて1/2波長板（30）が
配置され、これにより光ビームLBの偏光面を90度回転さ
せるようになされている。

かくして、円形寄りの楕円のビーム形状で偏光面を紙
面に垂直にしてなる光ビームLBと、光ビームLBと同様に
円形寄りの楕円のビーム形状で光ビームLBに対して偏光
面及び光軸を直交してなる光ビームLAを得ることができ
る。

そして、アナモプリズム（28A）及び1/2波長板（30）
の光軸上には、その光軸の交差する位置に偏光ビームス
プリッタ（PBS）（32）が配置され、光ビームLA及びLB
を合成するようになされている。

すなわち、偏光ビームスプリッタ（32）は、ｐ波を透
過するのに対し、ｓ波を反射する特徴を有し、これによ
り光ビームLAを透過すると共にその光ビームLAに対して
光軸が直交する光ビームLBを90度折り曲げ、光ビームLA
及びLBの光軸を一致させてなる合成光LLを作成するよう
になされている。

かくして合成光LLにおいては、ビーム形状が円形寄り
の楕円の光ビームLA及びLBの光軸を一致させて合成した
ことから、光ビームLA及びLBの光強度に対して約２倍の
光強度を得ることができ、その分、光ビームLA及びLBに
対して、パワー密度を向上することができる。

さらに、偏光ビームスプリッタ（32）を用いて、偏光
面が直交する２つの光ビームLA及びLBを合成したことに
より、２つの光ビームLA及びLB間の干渉を有効に回避し
て合成光LLを合成することができる。

ところで、偏光ビームスプリッタ（32）に偏光面が直
交する２つのレーザ光を入射して合成光を生成する場
合、予め偏光面が直交する２つのレーザ光が生成した
後、ビーム形状を円形寄りの楕円に整形する方法が考え
られる。

ところが、アナモプリズム（28A）及び（28B）におい
ては、偏光面に応じて透過率が変化する特徴があり、こ
の場合紙面に平行な偏光面に対してほぼ100［％］の透
過率を有するのに対し、紙面に垂直な偏光面に対して約
10〔％〕の損失が発生する。

従って、この実施例のように、ビーム形状を整形した
後、1/2波長板（30）を介して偏光面を90度回転させる
ことにより、レーザダイオード（22A）及び（22B）の光
ビームLA及びLBを有効に利用して、パワー密度の大きい
合成光LLを得ることができる。

そしてリレーレンズ（34）及び（35）は、合成光LLを
平行光線に変換してコリメータレンズ（36）に入射する
ようになされ、これにより合成光LLの蹴られを有効に回
避するようになされている。

コリメータレンズ（36）は、入射した合成光LLを集光
して光コネクタ（37）に導くようになされ、これにより
この光コネクタ（37）に接続された光ファイバ（40A）
〜（40N）にそれぞれ合成光LLを入射する。

かくして、リレーレンズ（34）及び（35）とコリメー
タレンズ（36）で構成された光学系を介して、合成光LL
を光ファイバ（40A）〜（40N）に入射したことにより、
径の小さな光ファイバ（40A）〜（40N）に合成光LLを効
率良く入射することができる。

さらに、このとき、アナモプリズム（28A）及び（28
B）の倍率Ａを2.5に選定して、光ビームLA及びLBのビー
ム形状を扁平な楕円から円形寄りの楕円に整形したこと
から、その分光ファイバを（40A）〜（40N）に合成光LL
を入射する際に、合成光LLのスポット形状が小さくなる
ように集光し得る。

因に、この実施例においては、ストライプ幅200［μ
ｍ］のレーザダイオード（22A）及び（22B）から出射さ
せる光ビームLA及びLBを合成して、合成光LLをスポット
長径200［μｍ］に集光した後、直径100［μｍ］の光フ
ァイバ（40A）〜（40N）に合成光LLを入射するようにな
され、これにより合成光LLを直径200［μｍ］の光ファ
イバに直接入射した場合の約４倍の光密度を得るように
なされている。

かくして、レーザ光源（21A）〜（21N）を介して小さ
なスポット径で、パワー密度を向上した合成光LLを得る
ことができる。

光ファイバ（40A）〜（40N）は、バンドルを構成する
ようになされ、これにより各レーザ光源（21A）〜（21
N）から出射された合成光LLを集光して、レーザ媒質（1
2）を端面励起するようになされている。

かくして、小さなスポット径で、パワー密度を向上し
た合成光LLを集光してレーザ媒質（12）を端面励起し得
ることから、その分小さなスポット径で、光強度の大き
なレーザ光L0を射出し得る。

因に、この実施例において、レーザダイオード（22
A）及び（22B）は、それぞれ所定の偏光面を有する第１
及び第２の光ビームLA及びLBを射出する第１及び第２の
光源を構成するのに対し、アナモプリズム（28A）及び
（28B）は、第１及び第２の光ビームLA及びLBのビーム
形状を整形する第１及び第２のビーム形状整形手段を構
成する。

さらに、リレーレンズ（34），（35）、コリメータレ
ンズ（36）は、偏光ビームスプリッタ（32）から出力さ
れる合成光LLを集光し、光ファイバ（40A）〜（40N）に
導く集光光学系を構成する。

以上の構成によれば、ビーム形状を整形して偏光面が
直交するようになされた光ビームLA及びLBを、偏光ビー
ムスプリッタ（32）で合成した後、所定の光学系を介し
て光ファイバに入射したことにより、小さなスポット径
で、パワー密度を向上した合成光LLを得ることができ
る。

従って当該合成光LLを集光して、レーザ媒質（12）を
端面励起することにより、小さなスポット径で、光強度
の大きなレーザ光L0を射出することができる。

（G₂）第２の実施例第１図との対応部分に同一符号を付して示す第３図
は、第２の実施例のレーザ光源を示し、第３図におい
て、（40）は全体としてレーザ光源を示し、レーザ光源
（21A）〜（21N）に代えて合成光LLを射出する。

すなわち、レーザ光源（40）においては、ガラス基板
（41）上に、夫々アナモプリズム（28A），（28B）を構
成するプリズム（25A），（25B）及び（26A），（26B）
と、1/2波長板（30）と、偏光ビームスプリッタ（32）
とを搭載するようになされ、これにより全体の形状を小
型化するようになされている。

さらに、プリズム（26A），（26B）、1/2波長板（3
0）及び偏光ビームスプリッタ（32）においては、互い
に平行面を形成する入射出面を接着剤で接着するように
なされ、これによりガラス基板（41）を小型化し、レー
ザ光源（40）全体として形状を小型化するようになされ
ている。

かくしてプリズム（26A）及び（26B）、1/2波長板（3
0）、偏光ビームスプリッタ（32）を接着するようにす
れば、そのプリズム（26A）及び（26B）、1/2波長板（3
0）、偏光ビームスプリッタ（32）の接着面において
は、反射防止コートを省略し得、その分全体として簡易
な構成のレーザ光源（40）を得ることができる。

さらに、このようにガラス基板（41）上にプリズム
（25A），（25B），（26A）及び（26B）、1/2波長板（3
0）と偏光ビームスプリッタ（32）を搭載して全体を小
型化すれば、レーザダイオード（22A）及び（22B）から
光コネクタ（37）に至るまでの光路を短くし得る。

従って、その分光ビームLA及びLBの広がりを有効に回
避し得、リレーレンズ（34）及び（35）（第１図）を省
略しても、合成光LLの蹴られを有効に回避して、光コネ
クタ（37）に合成光LLを集光し得る。

従ってその分さらに一段と簡易かつ小型のレーザ光源
（40）を得ることができる。

かくして、この実施例においては、リレーレンズ（3
4），（35）、コリメータレンズ（36）に代えて光ファ
イバ結合用の集光レンズ（44）を用いるようになされ、
これにより合成光LLを光コネクタ（37）に集光して、簡
易かつ小型のレーザ光源（40）を得るようになされてい
る。

かくして、この実施例においては、光ファイバ結合用
の集光レンズ（44）が偏光ビームスプリッタ（32）から
出力される合成光LLを集光して、光ファイバ（40A）〜
（40N）に導く集光光学系を構成する。

第３図の構成によれば、ガラス基板（41）上にプリズ
ム（25A），（25B），（26A）及び（26B）、1/2波長板
（30）と偏光ビームスプリッタ（32）を搭載し、互いに
平行面を形成する入射出面を接着したことにより、第１
の実施例の効果に加えて、さらに一段と容易かつ小型の
レーザ光源（40）を得ることができる。

なお、上述の実施例においては、偏光面が紙面に平行
な光ビームLA及びLBをレーザダイオード（22A）及び（2
2B）から射出した後、1/2波長板（30）で光ビームLBの
偏光面を90度回転させる場合について述べたが、本発明
はこれに限らず、偏光面が紙面に垂直な光ビームLA及び
LBをレーザダイオード（22A）及び（22B）から射出した
後、光ビームLAの偏光面の方を1/2波長板で90度回転さ
せるようにしてもよい。

さらにレーザダイオード（22A）及び（22B）から偏光
面の一致した光ビームLA及びLBを射出する代わりに、レ
ーザダイオード（22B）、アナモプリズム（28B）を90度
傾けて配置し、1/2波長板（30）を省略するようにして
もよい。

（G₃）第３の実施例すなわち、第１図との対応部分に同一符号を付して示
す第４図は、本発明の第３の実施例のレーザ光源を示
し、この第４図では、1/2波長板（30）を省略し、レー
ザダイオード（22B）は、第１図とは異なり、矢印ｃに
示すように、紙面に垂直な方向に約10゜、紙面と平行な
方向に約30゜の広がりで発散する楕円のビーム形状のレ
ーザビームを放射するように成されると共に、アナモプ
リズム（28B）が光軸の回りに90゜回転せしめられてい
る。

従って、この場合も、第１図の場合と同様に、レーザ
ダイオード（22A）からの光ビームLA（ｐ偏光）と、レ
ーザダイオード（22B）からの光ビームLB（ｐ偏光）と
の偏光面は互いに直交しており、これら光ビームLA、LB
は夫々アナモプリズム（28A），（28B）によって、ビー
ム形状が円形寄りの楕円ビームに整形された後、偏光ビ
ームスプリッタ（32）において合成される。従って、第
５図に示す如く、光コネクタ（37）に取り付けられた光
ファイバの端面上の光ビームLA、LBの楕円のビームスポ
ットSPa、SPbは、その長径方向が略直交していることが
分かる。因に、第１図のレーザ光源では、光コネクタ
（37）に取り付けられた光ファイバの端面上の光ビーム
LA、LBの楕円のビームスポットSPa、SPbは、その長径方
向が同じ方向と成る。その他の構成は、第１図と同じで
ある。

この第４図の実施例によれば、第１図の実施例に比
し、光ファイバによるスペックルノイズ（モーダルノイ
ズ）を低減できると共に、1/2波長板を不要とするの
で、構成が簡単に成ると言う利点がある。

次に、このスペックルノイズ（モーダルノイズ）につ
いて説明する。このスペックルノイズ（モーダルノイ
ズ）σm²は、 σm²＝｛Fc²/（Fc²＋2Fs²）｝・｛（１−Ｐ）/P｝/Np と表される。ここで、Fcはファイバ帯域、Fsはレーザ線
幅、Ｐはカップリング効率、Npは励起モード数を示す。
従って、第４図の実施例では、第１図の実施例に比べ
て、励起モード数Npが増えるので、スペックルノイズ
（モーダルノイズ）が低減されることに成る。

さらに上述の実施例においては、同一波長の合成光LL
を光ファイバで集光する場合について述べたが、本発明
はこれに限らず、異なる波長の合成光をレーザ光源で作
成した後、例えばダイクロイックミラーで集光するよう
にしてもよい。

（G₄）第４の実施例すなわち、第６図に示すように、レーザ光源（50），
（51），（52）においては、それぞれ２つのレーザダイ
オードから射出される光ビームを合成し、波長780［n
m］,810［nm］,830［nm］の合成光LL1,LL2,LL3を作成す
る。

合成光LL1,LL2,LL3は、ミラー（54）及びダイクロッ
クミラー（55），（56）を介してさらに合成されるよう
になされ、このとき各合成光LL1,LL2,LL3の光軸が一致
するように合成する。

このようにすれば、ビーム径が小さく、従来に比して
光量の大きな合成光LL1,LL2,LL3を合成して、１つの光
ファイバに導くことができる。

さらに上述の実施例においては、所定のレーザ媒質を
励起する励起光を作成する場合について述べたが、本発
明はこれに限らず、当該レーザ光源から射出される合成
光をレーザ印刷、レーザ半田、レーザ加工、レーザメス
等に広く適用することができる。

Ｈ発明の効果上述のように本発明によれば、所定の偏光面を有する
第１及び第２の光ビームを出射する第１及び第２の光源
と、第１の光ビームの断面ビーム形状を楕円から真円に
近づけるように整形する第１のビーム形状整形手段と、
第２の光ビームの断面ビーム形状を楕円から真円に近づ
けるように整形する第２のビーム形状整形手段と、第１
のビーム形状整形手段から出射される第１の光ビームが
入射される共に、その第１の光ビームに対して90゜偏光
面の傾いた状態で、第２のビーム形状整形手段から出射
される第２の光ビームが入射され、その第１及び第２の
光ビームを合成して合成光を出射する偏光ビームスプリ
ッタと、その偏光ビームスプリッタから出射される合成
光を集光して、光ファイバに導く集光光学系とを有する
ので、小さなスポット径で、パワー密度を向上した合成
光の得られるレーザ光源を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例のレーザ光源を示す配置
図、第２図は本発明を適用したレーザ発振器の一例を示
す配置図、第３図は第２の実施例のレーザ光源を示す配
置図、第４図は第３の実施例を示す配置図、第５図は第
３の実施例における光ファイバの端面上の光ビームのス
ポットを示す図、第６図は第４の実施例を示す配置図、
第７図は側面励起法を示す略線図、第８図は端面励起法
を示す略線図、第９図は課題の説明に供するバンドルを
用いた励起を示す略線図である。（21A）〜（21N）はレーザ光源、（22A），（22B）は夫
々レーザダイオード、（23A），（23B）は夫々コリメー
タレンズ、（23A），（23B）はアナモプリズム、（30）
は1/2波長板、（32）は偏光ビームスプリッタ、（3
4），（35）はリレーレンズ、（36）はコリメータレン
ズ、（37）は光コネクタ、（40A）〜（40N）は光ファイ
バである。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の偏光面を有する第１及び第２の光ビ
ームを出射する第１及び第２の光源と、上記第１の光ビームの断面ビーム形状を楕円から真円に
近づけるように整形する第１のビーム形状整形手段と、上記第２の光ビームの断面ビーム形状を楕円から真円に
近づけるように整形する第２のビーム形状整形手段と、上記第１のビーム形状整形手段から出射される上記第１
の光ビームが入射される共に、該第１の光ビームに対し
て90゜偏光面の傾いた状態で、上記第２のビーム形状整
形手段から出射される上記第２の光ビームが入射され、
該第１及び第２の光ビームを合成して合成光を出射する
偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッタから出射される合成光を集光し
て、光ファイバに導く集光光学系とを有することを特徴とするレーザ光源。