DE2918863C2 - Abstimmbarer Laseroscillator - Google Patents
Abstimmbarer LaseroscillatorInfo
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- H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
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- H01S3/0812—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors incorporating a dispersive element, e.g. a prism for wavelength selection using a diffraction grating
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen abstimmbaren Laseroscillator mit einem breitbandig emittierenden -to
und daher wellenlängenabstimmbaren Lasermedium, einem optischen Resonator, der eine Vorrichtung zur
Einstellung der Wellenlänge der Laserstrahlung aufweist, sowie mit einer dem Resonator nachgeschalteten
Einrichtung zur spektralen Filterung und Erzeugung einer spektral reineren emittierten Laserstrahlung und
einer im Strahlengang nach der Einrichtung angeordneten Blende. Die Blende kann in physikalischer Hinsicht
verschieden ausgebildet sein.
Abstimmbare Laseroscillatoren sind in ihrem grand- so sätzlichen Aufbau bekannt, beispielsweise aus der
DE-OS 27 15 844. Sie besitzen ein zur breitbandigen Laseremission fähiges Lasermedium, z. B. eine Zelle, die
mit einer Lösung organischer Farbstoffe gefüllt ist und die somit das Lasermedium darstellt. Dieses Lasermcdi- SS
um wird von einer Pumplichtquelle beispielsweise über optische Fokussierelemente angeregt. Das Lasermedium in der Zelle befindet sich innerhalb eines optischen
Resonators, der abstimmbar gestaltet ist, also eine Vorrichtung zur Einstellung der Wellenlänge der μ
Laserstrahlung aufweist. Der optische Resonator selbst wird von dem Auskoppelspiegel und einem Rückspiegel,
die zueinander ausgerichtet sind, gebildet. Die Vorrichtung zur Kinstellung der Wellenlänge, also die
Abslimmvorrichtung, besteht aus einem schwenkbar t><
gelagerten Beugungsgitter, wobei dieses Bcugiingsgitter auch (eilweise die F-'unklion des Rückspiegels mil
übernimmt.
Die spektrale Verteilung der Laseremission, also der
Strahlung, die aus dem Resonator init Hilfe des Auskoppelspiegels ausgekoppelt wird, ist breitbandig
und erstreckt sich also über einen Wellenlängenbereich. Die Laserstrahlung enthält selbstverständlich Licht der
mit der Vorrichtung zur Einstellung der Wellenlänge eingestellten Wellenlänge, darüber hinaus aber auch
breitbandige spontane Strahlung, bei einer Wellenlänge, die der maximalen Verstärkung des Lasermediums
entspricht.
Diese breitbandige spontane Strahlung wird ASE (Amplified Spontaneous Emission) genannt. Die Intensität dieser breitbandigen spontanen Strahlung nimmt zu,
wenn mit der Vorrichtung eine Wellenlänge eingestellt wird, die in den Randbereichen der Abstimmkurve zu
finden ist, also nicht sehr gut verstärkt wird. Die Intensität dieser breitbandigen spontanen Strahlung
kann aber auch dann zunehmen, wenn die Vorrichtung zur Einstellung der Wellenlänge nicht sehr effektiv ist,
d. h., wenn nur wenig Licht in das Lasermedium zur Verstärkung zurückkommt. In beiden Fällen wird die
Energie, die nicht in Laserstrahlung der eingestellten Wellenlänge umgewandelt wird, in erhöhtem Maße in
breitbandige spontane Strahlung ASF. verwandelt, da nur wenig Licht aufgrund der hohen Verstärkung
genügt, um eine kräftige breitbandige spontane Strahlung n\ bewirken.
Wird /. II. der Laserstrahl weiter verstärkt, verschlechtert sich ims den angegebenen (!runden das
Verhiilinis der Intensitäten der Strahlung der übge-
stimmten Wellenlänge zu der breiibandigen spontanen
Strahlung noch, wenn die abgestimmte Wellenlänge im Bereich kleiner Verstärkung liegt. Die auftretende
breitbandige spontane Strahlung ASE stört, da im allgemeinen der Laser eine Lichtquelle mit spektraler
Reinheit der emittierten Laserstrahlung sein soll.
Es ist auch bereits bekannt, dem Resonator eines abstimmbaren Laseroscillators eine Einrichtung zur
spektralen Filterung und Erzeugung einer spektral reineren emittierten Laserstrahlung nachzuschalten (R.
Wallenstein, T. H. Mansch in Optics Communications 14
[1975] 3, S. 353—357). Dabei gelangt dann nur Laserlicht der abgestimmten Wellenlänge zur Weiterverarbeitung.
Der Nachteil dieser bekannten Einrichtung liegt darin, daß die Vorrichtung zur Einstellung der Wellenlänge
der Laserstrahlung innerhalb des Resonators und die dem Resonator nachgeschaltete Einrichtung zur spektralen Filterung und Erzeugung der spektral reineren
emittierten Laserstrahlung synchron miteinander abgestimmt werden müssen. Dies bedeutet, daß nicht nur die
Handhabung dieses bekannten abstimmbaren Laserosciliators, von dem die Erfindung ausgeht, umständlich ist
auch der bauliche Aufwand ist erheblich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen abstimmbaren Laseroscillator der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß der bauliche
Aufwand verringert und die Handhabung vereinfacht wird.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die
Vorrichtung zur Einstellung der Wellenlänge der Laserstrahlung zugleich die Einrichtung zur spektralen
Filterung und Erzeugung der spektral reineren emittierten Laserstrahlung bildet und daß optische Komponenten zum Rückführen der den Resonator verlassenden
Strahlung auf die gemeinsame Vorrichtung und Einrichtung vorgesehen sind. Die Erfindung geht von
dem Gedanken aus, die ohnehin schon vorhandene Vorrichtung zur Einstellung der Wellenlänge der
Laserstrahlung, also die Abstimmvorrichtung, gleichzeitig als Einrichtung zur spektralen Filterung und
Erzeugung einer spektral reineren emittierten Laserstrahlung ein zweites Mal zu verwenden. Da es sich bei
der gemeinsamen Vorrichtung und Einrichtung um ein und dasselbe Verstellelement handelt, entfällt die
synchrone Betätigung von zwei verschiedenen Elementen, wie dies im Stand der Technik der Fall ist Auch der
bauliche Aufwand wird geringer, wenn ein ohnehin schon vorhandenes Element zweifach (oder mehrfach)
benutzt wird. Die Erfindung läßt sich also auch durch die Verwendung der Vorrichtung zur Einstellung der
Wellenlänge der Laserstrahlung als Einrichtung zur spektralen Filterung und Erzeugung einer spektral
reineren emittierten Laserstrahlung kennzeichnen. Da die gemeinsame Vorrichtung und Einrichtung zweifach
bzw. mehrfach benutzt wird, müssen optische Komponenten zum Rückführen der den Resonator verlassenden Strahlung vorgesehen sein.
Die gemeinsame Vorrichtung und Einrichtung kann aus einem schwenkbar angeordneten optischen Beugungsgitter bestehen, welches zugleich einen Teil des
Resonators bildet. Es versieht sich für den Fachmann
von selbst, in welcher Ebene bzw. Relativlage das Beugungsgitter schwenkbar zu dem Auskoppelspiegel
des Resonators angeordnet sein muß. Die gemeinsame Vorrichtung und Einrichtung kann aber auch aus einem
spektral /erlegenden Prismensatz mit nachgeschalleleiii schwenkbar angeordneten Spiegel bestehen. Der
l'rismcnsat/ ist /weckmäüig ortsfest angeordnet und
lediglich der Spiegel ist schwenkbar vorgesehen. Aber auch die umgekehrte Ausbildung ist möglich.
Die optischen Komponenten zum Rückführen der den Resonator verlassenden Strahlung auf die gemein
same Vorrichtung und Einrichtung können ein Spiegel
satz oder ein Prismensatz sein, der jeweils so ausgebildet ist, daß er die Strahlung entweder parallel
zur Resonatorachse am Ort der gemeinsamen Vorrichtung und Einrichtung oder nur geringfügig von dieser
lu Parallelität abweichend richtet. Bei einer parallelen
Richtung verläßt der zur Weiterverarbeitung bestimmte Teil spektral reinerer emittierter Laserstrahlung beispielsweise einen Auskoppelspiegel. Bei einer geringfügig von der Parallelität abweichenden Richtung der
π Strahlung, die allenfalls nur wenige Grad betragen darf,
verläßt der zur Weiterverarbeitung bestimmte Teil der spektral reineren emittierten Laserstrahlung das Beugungsgitter bzw. den Prismensatz in einer bestimmten
zugeordneten Richtung, während die breitbandige
spontane Strahlung in einer anderen Richtung reflektiert wird Die optischen Komponente", /.um Rückführen der Strahlung können innerhalb v*der auch
außerhalb des Resonators angeordnet sein. So besieht beispielsweise auch die Möglichkeit, daß die optischen
Komponenten zum Rückführen der den Resonator verlassenden Strahlung auf die gemeinsame Vorrichtung und Einrichtung ein innerhalb des Resonators
zwischen Lasermedium und der gemeinsamen Vorrichtung und Einrichtung angeordneter Prismensatz ist, der
jo eine Eintritts- und eine Austrittsfläche aufweist, die
derart relativ zueinander angeordnet sind, daß der an der Eir.trittsfläche gespiegelte Strahl entweder parallel
oder nur geringfügig von der Parallelität abweichend zu dem durch den Prismensatz gehenden und die
j5 Austrittsfiäche durchsetzenden Strahl gerichtet ist.
Die Abweichung von der Parallelität kann zu der Achse des Resonators hin gerichtet sein. Diese Variante
bietet vorteilhaft die Möglichkeit, daß der spektral reinere emittierte Laserstrahl ein zweites Mal -las
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden
beschrieben. Es zeigt
F i g. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten
Ausführungsform des abstimmbaren Laseroscillators,
F i g. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des abstimmbaren Laseroscillators,
so F i g. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des abstimmbaren Laseroscillators
und
F i g. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Atttfühn-'nnsform des abstimmbaren Laseroscillators.
In F i g. 1 ist im Strahlengang ein Auskoppelspiegel 1 dargestellt,der rechtwinklig zu dem gezeichneitn Strahl
angeordnet ist. Die Reflektion dieses Auskoppelspiegels
I ist kleiner als 100%. In einem Gefäß 2, beispielsweise
einer Zelle, die im Strahlengang ausgerichtet angeord
net ist, befindet sich das Lasermedium 3, beispielsweise
eine Lösung organischer Farbstoffe. Es ist ein Beugungsgitter 4 gemäß Pfeil S schwenkbar gelagert
und angeordnet, welches einerseits das ALstimmelement, also die Vorrichtung zum Einstellen der
Wellenlänge der Laserstrahlung und zum anderen auch die Einrichtung zur speKiralen Filterung und Erzeugung
einer spektral reineren emittierten Laserstrahlung darstellt. Zugleich bildet auch dieses Beugungsgitter 4
einen Teil des Resonators I, 4. ist also dem
Auskoppelspiegel 1 zugeordnet. Dieses Beugungsgitter 4 wirkl wie ein Spiegel bei dem jeweiligen eingestellten
Winkel λ i. der der abgestimmten Wellenlänge A(
zugeordnet ist. Rir diese Wellenlänge A.(, gilt
λ.\ = 2 sin ix.\ χ Κ ',
wobei K die Gitterkonslante des Beugungsgitters 4 ist.
Innerhalb des Resonators 1,4 wird also die Laserstrahlung 7 hin und her reflektiert. Eiin kleiner Teil tritt durch
den Auskoppelspiegel 1 aus und fällt auf einen Spicgelsatz 6. Der den Resonator 1, 4 verlassende
Laserstrahl 8 wird von dem ersten Spiegel des Spiegclsatzes 6 unter einem Winkel von 90" in den
Strahl 9 reflektiert, der auf den zweiten Spiegel des Spiegclsatzes 6 auftriffl, von wo er als Strahl IO
reflektiert wird. Der zweite Spiegel des Spiegelsalzcs 6 ist jedoch so angeordnet, daß die Strahlen 9 und 10
einen WinWrl -Mi^inandrr bilden, der geringfügig größer
als 90' ist, nämlich um den Winkel Θ. Der Spiegelsatz 6 bildet die optischen Komponenten zum Rückführen der
den Resonator 1,4 verlassenden Strahlung 8. Der Strahl
10 wird, wie ersichtlich, wiederum auf das Beugungsgitter
4 zurückgeführt, welches jetzt beim zweiten Mal jedoch als Hinrichtung zur spektralen l-'iltcrung und
Erzeugung der spektral reineren emittierten Laserstrahlung Il der Wellenlänge A.( wirkt. Das Beugungsgitter
4 hat die Eigenschaft, den Laserstrahl 10 zu dispergieren und das Licht der abgestimmten Wellenlänge
λ.\ von der brcitbandigen spontanen Strahlung ASIi der Wellenlänge Ao zu trennen. Dieses Streulicht
wird beispielsweise von einer Blende 12 aufgefangen, so daß nur die spektral gefilterte emittierte Laserstrahlung
11 zur Weiterverarbeitung gelangt.
Wird der Laserstrahl 10, wie dargestellt, auf das Beugungsgitter 4 durch den Spicgelsatz 6 so zurückgeworfen,
daß für seinen Auffallwinkcl
λ .1
sin
gilt, so wird das Licht der abgestimmten Wellenlänge λ λ
mit der Abweichung 2 B zurückgeworfen. Ist der Winkel B klein (B= I bis 2C). so ist θ wellcnlängenunabhängig
una das i.ieni der Vveiieniange Λ4 wird uuiwii <iic uicnuc
12 treten, unabhängig von dem Winkel, der beim Abstimmen gemäß obiger Formel verändert wird. Licht
von abweichender Wellenlänge, das in der Laserstrahlung 10 enthalten ist. wird vom Gitter 4 unter dem
Winkel B'+ 2 B reflektiert und durch die Blende 12 zurückgehalten. Damit erfüllt das Beugungsgitter 4 die
zusätzliche Aufgabe, aus dem Laserlicht 8,9, 10 nur das
Licht der abgestimmten Wellenlänge λ.» herauszusondern
und es unabhängig von der eingestellten Wellenlänge stets in die gleiche Richtung zu schicken.
Das Beugungsgitter 4 stellt also sowohl die Vorrichtung zum Einstellen der Wellenlänge der Laserstrahlung als
auch die Einrichtung zur spektralen Filterung und Erzeugung einer spektral reineren emittierten Laserstrahlung
dar. Gitterabstimmung und Nachzerlegung sind zwangsläufig immer synchron, da das Beugungsgitter
4 nur insgesamt verschwenkt werden kann.
Zur Vervollständigung sind in F i g. 1 noch die Pumplichtquelle 19 sowie eine Linse 20 zum Fokussieren
dargestellt.
F i g. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform in schematischer Darstellung. Im Gegensatz zu der
Ausführungsform nach F i g. 1 ist der Spiegelsat? 6 hier innerhalb des Resonators I, 4 angeordnet. Die
Reflektion des Auskuppelspiegels 1 kann 100%
I iir die Auskopplung innerhalb des Resonators I, 4 mit einem Spicgelsatz f>
gibt es eim· Keilu· \on
Möglichkeiten unter Verwendung von halbdiirchliissi-"1
gen Spiegeln. Polarisatoren etc
Bei der Ausführungsform gemäß I'ig. J ist anstelle des Beugungsgitters ein Prisma 13 und ein Spiegel 14
vorgesehen, wobei der Spiegel 14 schwenkbar gemäß Fig. 5 angeordnet ist, während das Prisma 13
in zweckmäßig ortsfest gelagert ist. Ls sei hier darauf
hingewiesen, daß der Spiegelsatz 6 hier ebenfalls von der Parallelität abweichend richtet, wie dies auch gemäß
den Ausfiihriingsformen der Cig. I und 2 der lall ist.
Das Prisma 13 stellt hier das dispergicrcnde Llement
> dar, während dem Spiegel 14 reflektierende Funktion
zukommt. Der Spiegel 14 bildet selbstverständlich auch einen Teil des Resonators I, 4. Auch bei dieser
Ausführungsform wird die gemeinsame Linrichliing und
Vorrichtung 13, 14 zweimal benutzt. Die breilbandigc
-'<> spontane Strahlung ASE wird beim zweiten Mal von dem Prisma 13 ausgefiltert, so daß nur spektral
■gereinigle Strahlung Il der abgestimmten Wellenlänge
A 1 zur Weiterverarbeitung gelangt. Ls versteht sich, daß
anstelle des einen Prismas Π auch ein Prismensatz
:> Verwendung finden könnte.
Die Ausführungsform gemäß I'ig. 4 unterscheidet sich von denjenigen nach Fig I bis 3 dadurch, daß der
zweite Spiegel des Spiegclsatzes 6 so angeordnet ist. daß zwischen den Strahlen 9 und 10 hier ebenfalls ein
f» rechter Winkel gebildet wird, wie dies bereits zwischen
den Strahlen 8 und 9 am ersten Spiegel des Spiegelsatzes 6 auch der !"all ist. Dies bedeutet, daß sich
der Strahl 10 mit dem Strahl ti deckt, also in sich zurückgeworfen wird, so daß an dem ersten Spiegel des
!i Spiegelsatzcs 6 in der einen Richtung Licht der
abgestimmten Wellenlänge und brcitbandige sponiane Strahler ASE anfallen, während an der Blende 12 nur
Licht der abgestimmten Wellenlänge A \ zur Weiterverarbeitung gelangt. Die Ausführungsform nach F i g. 4
*» bewirkt sogar, daß der Resonatorspicgel (I) entfnllcn
kann und seine Rolle ebenfalls von der gemeinsamen Vorrichtung und F.inrichtung mitübernommen wird.
stimmter Strahlung innerhalb des Resonators noch
*'< wirkungsvoller unterdrückt wird.
Bei der Ausführungsform nach I i g. 5 ist ein
Prismensatz 15. 16 zwischen der /eile 2 und dem
Beugungsgitter 4 angeordnet. Der Prismensatz. der nicht notwendigerweise nur aus zwei Prismen bestehen
·" muß. besitzt eine Eintritisfläche 17 und Austrittsflächc
18. die zueinander in Relativlagc stehen. Und z«"ar ist
der Prismensatz 15, 16 so ausgebildet, daß der an der Eintrittsfläche 17 reflektierte Lichtstrahl und der. in die
Prismen hineingebrochene und den Prismensatz an der Austrittsfläche 18 verlassenden Lichtstrahl zueinander
parallel oder fast parallel laufen. Das Beugungsgitter 4 ist gegenüber der Austrittsfläche 18 so orientiert, daß
der Austrittsstrahl das Gitter unter dem Winkel λ 4 mit
sin ,, =
= 1Z2
χ Κ
trifft. Das Beugungsgitter 4 ist wiederum schwenkbar gelagert. Das Beugungsgitter 4 bildet auch hier die
gemeinsame Vorrichtung und Einrichtung zusammen mit dem Prismensatz 15,16. während die Eintrittsfläche
17 die optische Komponente zum Rückführen der den Resonator verlassenden Strahlung darstellt. Die Laserstrahlung
7 durch die Farbstofflösung 3 wird zunächst im Prisma 15 in dieses hineingebrochen und tritt nach
Verlassen der Austrittsflitchc IS unter dem Winkel \ ,
auf das Beugungsgitter 4 auf. Wie dargestellt, weilet der
l'rismensat/ 15, Iftden Slrahl auf.
Die an der Kintri'tsflaehe 17 ausgekoppelte Strahlung
wird dem Beugungsgnter 4 so zugeführt, dall sie mit
Winkel
x+H(n<H< 1-2 )
auftritt lind spektral /erlegt wird Der Auskoppelgrad K
ist gegeben /ti:
Rn - ( J lür in der I infallschene.
ii.W I
/i\/ ι I
J für senkrecht /ur I inlidlsebene
pol.irisierles lieht.
wobei »der Brechungsindex des l'nsmenmaterials und
M die Vergrößerung der Sirahlabmessung in der !■infallsebene des in das Prisma gebrochenen Strahls ist.
Der Prismensai/ Ii, 16 /wischen der Zelle 2 und dem
Beugungsgitter 4 kann neben der Auskopplung a.ich der
Strahlaufweilung (teleskop mil eindimensionaler Vergrößerung M) dienen, um die Winkeldispersion des
lliMigungsgitiers 4 /u erhohen und oder die Laserstrahlung
/u polarisieren.
Claims (7)
1. Abstimmbarer Laseroscillatar mit einem breitbandig emittierenden und daher wellenlängenab- ">
stimmbaren Lasermedium, einem optischen Resonator, der eine Vorrichtung zur Einstellung der
Wellenlänge der Laserstrahlung aufweist, sowie mit einer dem Resonator nachgeschalteten Einrichtung
zur spektralen Filterung und Erzeugung einer spektral reineren emittierten Laserstrahlung und
einer im Strahlengang nach der Einrichtung angeordneten Blende, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (4; 13, 14; 4, 15,
16) zur Einstellung der Wellenlänge der Laserstrah- is
lung (7) zugleich die Einrichtung zur spektralen Filterung und Erzeugung der spektral reineren
emittierten Laserstrahlung (11) bildet und daß optische Komponenten (6; 15, 17) zum Rückführen
der den Resonator (1, 4; 1, 13, 14; 1, 4, 15, 16) a>
verlassenden «Birahlung auf die gemeinsame Vorrichtung und Einrichtung vorgesehen sind.
2. Abstimmbarer Laseroscillator nach Anspruch I,
dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Vorrichtung und Einrichtung aus einem schwenkbar
angeordneten optischen Beugungsgitter (4) besteht, welches zugleich einen Teil des Resonators (1, 4)
bildet (F ig. 1,2).
3. Abstimmbarer Laseroscillalor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame »
Vorrichtung und Einrichtung aus einem spektral zerlegenden Prismensatz (13) mit nachgeschaltetem
schwenkbar angeordnetem Sp«.gel (14) besteht
(F ig. 3).
4. Abstimmbarer Laseroscillator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen
Komponenten z«m Rückführen der den Resonator verlassc-nden Strahlung auf die gemeinsame Vorrichtung und Einrichtung ein Spiegelsatz (6) oder ein
Prismertsatz sind, der so ausgebildet ist, daß er die
Strahlung entweder parallel zur Resonatorachse am Ort der gemeinsamen Vorrichtung und Einrichtung
oder nur geringfügig von dieser Parallelität at weichend richtet (F i g. 1 bis 4).
5. Abstimmbarer Laseroscillator nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die optischen
Komponenten zum Rückführen der den Resonator verlassenden Strahlung auf die gemeinsame Vorrichtung und Einrichtung ein innerhalb des Resonators (1, 4) zwischen Lasermedium (3) und der
gemeinsamen Vorrichtung und Einrichtung angeordneter Prismensatz (15, 16) ist, der eine
Eintritts- (17) und eine Austrittsfläche (18) aufweist,
die derart relativ zueinander angeordnet sind, daß der an der Eintrittsfläche (17) gespiegelte Strahl
entweder parallel oder nur geringfügig von der Parallelität abweichend zu dem durch den Prismensatz gehenden und die Austrittsfläche (18) durchsetzenden Strahl gerichtet ist (F i g. 5).
6. Abstimmbarer Laseroscillator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung von der Parallelität zu der Achse des
Resonators hin gerichtet ist
7. Abstimmmbarer Laseroscillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der spektral reinere
emittierte Laserstrahl (11) ein zweites Mal das Lasermedium (3) durchsetzt und dabei verstärkt
wird.
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