CN101226281A - 紧凑型光延迟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及紧凑型光延迟装置，属于光学设备技术领域，包括一个光偏振分束器(PBS)具有三窗口，其中，第一光偏振态的光从PBS的第一窗口和第二窗口之间传输穿过，垂直于第一偏振态的光的第二光偏振态的光进入第二窗口和第三窗口中的一个，被反射到另外一个；具有第一端点的第一光路与PBS的第二窗口进行光学连接；一个法拉第反射镜连接到第一光路的第二端点，在沿着第一光路上的每一个位置上，反射回的光的偏振态和从PBS向着法拉第反射镜发射的光的偏振态偏振方向正交；一个具有第一端点的第二光路被连接在PBS的第三窗口；和一个反射器被连接到第二光路的第二端点。本发明利用了光的偏振特性使得光在光路中传输四次，从而使得光路延迟量总共达到四倍。

Description

紧凑型光延迟装置

本发明专利申请案是以美国临时申请号为60/842453，申请日为2006年9月5日，题为“紧凑型光延迟装置”的专利申请为优先权。

技术领域

本发明属于光学设备技术领域，特别涉及光延迟装置及其方法。

背景技术

可变光延迟装置，可以用来改变光学装置和系统的光程，或者改变光信号的相位，以适应操作中的某些调节需求。例如，在一个迈克尔逊光干涉仪中，两个光路中的至少一个光程长度，可以用一个可变光延迟器进行调整。基于光纤时域技术的光学连续断层扫描装置，就是基于迈克尔逊光干涉仪原理设计的，并且可以在上述的光路中使用光纤拉伸器，通过拉伸光纤卷构成一个可变光延迟器，来改变参考光路中的参考光束，和分向被测量样品的探测光路中的探测光束之间的光程差。再比如，一个光纤激光光源中，可以包含一个由光纤延伸器制成的可变光延迟器，安装在激光谐振腔中，以调整激光谐振腔的腔长。再比如，一个光电振荡器包括一个电光调制器，和至少一个由一个光学部件和一个电子部件通过光探测器相互连接构成的激发光电反馈回路，在这个光电反馈回路中，可以在光学部件中加入一个可变光延迟器，用来完成一个合适的相位匹配，以调节振动频率。关于OEO的设计例子可以从美国5,723,856，5,777,778，5,929,430 and 6,567,436号专利中查找到。

多数光延迟装置，可以通过增加光程长度来增加光延迟量。例如，一个光纤延迟线可以用一个卷成光纤卷筒来增加延迟量。这种光纤卷筒或者绕线圈的方法尺寸大、成本高。在其他情况下，比如时域光相干断层技术(OCT)，很需要大而迅速的延迟变化。在一些OCT应用中，光延迟变化量需要达到10毫米，变化速度也许需要达到10K赫兹以上。这样高的延迟变化速率，产生这样大的延迟变化量，在某些场合下只通过光纤延迟线是很难实现的。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种紧凑型光延迟装置，和其他已有技术相比，本发明的特别之处在于利用光的光偏振特性，让光在一个光路中传输通过四次，从而使得光路延迟量总共达到四倍。

本发明提出的一种光学装置，包括一个光偏振分束器(PBS)，第一光路连接在PBS上，一个法拉第反射镜连接在第一光路上，一个反射器连接在和PBS连接的第二光路上；所述PBS包括第一窗口，第二窗口和第三窗口。第一光偏振态的光从PBS的第一窗口和第二窗口之间穿过，和第一光偏振态的光成正交偏振方向的第二光偏振态的光进入第二和第三窗口中其中一个窗口，被反射回第二和第三窗口中的另外一个；第一光路包含一个和第二窗口光学连接的第一末端，引导光到第二窗口；所述法拉地反射镜被连接在第一光路的第二端将从第一光路的光以反射光偏振的方式反射回第一光路，也就是说，沿着第一光路的每一个位置，反射光的偏振方向和其沿着第一光路从PBS向着法拉第反射镜入射的光的偏振方向垂直；第二光路包括一个和PBS第三窗口光学连接的第一端口，接受来自第二窗口的光，并将光导向第三窗口；反射镜被连接在第二光路的第二末端，用来将从第二光路而来的光反射回第二光路，这个反射光的偏振态和光从第三窗口进入第二光路时的偏振态是一致。

本发明的特点：

本发明利用了光的偏振特性使得光在光路中传输四次，从而使得光路延迟量总共达到四倍。

在本发明的装置和方法中，在一个给定的光纤卷中，不用增加光纤长度，产生四倍的信号延迟。在一个简单的光学装置中，光偏振性质使得光通过光纤卷或光纤环四次。这样光延迟可以被应用于多种需要紧凑延迟装置的应用，包括OEO和OCT系统。

附图说明

图1和图2展示了两个光延迟装置的例子，该装置利用了光偏振特性，通过引导光通过延迟器件四次来产生一个光延迟器件四倍的光延迟量。

图3展示了一个光延迟装置，该装置允许使用者连接基于图1和图2设计的光延迟器件。

图4展示了一个采用了光纤技术的光学断层扫描(OCT)装置的例子，该装置使用了图2中的可变光延迟装置技术。

图5展示了一个光电振荡器的例子，该振荡器的光电循环器件中的光学部分使用了图1或者图2中的光延迟装置。

图6A和6B展示了一个四分之一波片和反射镜结合装置，在某些场合下可以替代图1和图2中的法拉第反射镜。其中：610为保偏光纤；620为四分之一波片；630为光学反射镜；640为四分之一波片的快轴；650是保偏光纤的偏振轴；660为四分之一波片的慢轴；

具体实施方式

本发明的光学装置结合附图及实施例详细说明如下：

图1和图2中100和200，举了两个在给定的光纤卷或光纤环中对信号进行四次延迟的光延迟装置的例子。在光延迟装置100或200中，提供了一个光偏振分束器(PBS)103，并配置包括第一窗口1，一个第二窗口2和一个第三窗口3。一个输入光束101是一个线偏振光，为第一偏振态，该光束被引导进入PBS103的窗口1，并从PBS103的第一窗口1和第二窗口2之间穿过。PBS103被设置成对处于第二偏振态的光进行反射，第二偏振态的光是和第一光偏振态成正交状态，并从第二窗口2和第三窗口3其中一个进入PBS103，到达第二窗口2和第三窗口3中的另外一个。光延迟装置100和200，每一个都包括带有第一端点的第一光路110，作为光延迟通道，与PBS103的第二窗口进行光学连接，接收来自第二窗口的光，并引导该光返回到第二窗口，一个法拉第反射镜130连接到第一光路的第二端点来反射光。法拉第反射镜可以由法拉第旋转镜131和反射镜132构成，被设置成反射来自第一光路110的光，反射回第一光路110，其反射方式为：在第一光路110上的每一个位置，来自穿过PBS103沿第一光路110向着法拉第反射镜130的光的偏振方向和反射回来的光垂直。

显然，光延迟装置100和200中的每一个均包括与PBS103进行光路连接的第一端点的第二光路120，用来接收来自第二端点的光，并将光引导向第三端点。反射镜140包括一个第二光路120的第二端点，用来反射从第二光路120而来的光，反射回到第二光路120，反射光的偏振态和最初进入第二光路在第三窗口的光的偏振态相同。因此，被反射镜140反射回PBS103的第二窗口的反射光保持了第二偏振态，这样，被PBS103反射到窗口2，，并在第一光路110中传输两次。被法拉第反射镜反射回来两次后，光回到PBS103的窗口2，保持了第一偏振态，这样，穿过PBS103显示在窗口1成为输出光束102。在这样的设计下，带有第一偏振态的光101被PBS103的分束1接收，通过第一光路120两次，返回分束1成为输出光102。一个光纤延迟卷或线圈可以被用作第一光路110的分束，形成四倍光纤卷的延迟量。

被图1中的装置产生的延迟变化，可以通过混合改变光路110和120中任一个变化量来产生。如图2所述，光延迟装置200，在第一光路110中执行了光延迟变化210，这个变化延迟可以以变化结构的方式完成，包括在现有的光纤卷中进行光纤拉伸。可变光延迟210可以用单模(SM)光纤或保偏(PM)光纤，被用来形成PBS的窗口2和法拉第反射镜之间的可变延迟器件利用这个结构，延迟变化量可扩大四倍。作为选择，可变延迟可以被PBS103的窗口3和反射镜140形成的光路实现，在这里延迟变化量被加倍。

在操作中，PBS103被用作在引导信号到第一光路110中的延迟光纤之前接收一个输入光信号。输入光信号101的偏振态是被控制的，所以穿过PBS103的输入光信号101是线偏振光。PBS103有三个窗口：窗口1接收输入光信号101，窗口2接收在窗口1和窗口3被接受的光的传输，这个光是一个由被控制在窗口2接收的光产生的反射的信号。详细来说，进入窗口1的光的偏振和传输通过PBS窗口2的偏振是和在窗口2的光，以及反射出PBS窗口2的光是偏振正交的。第一光路中的延迟光纤110被光学连接到PBS的窗口2，至少，(1)接受被窗口1受到的光的传输，(2)接受在窗口3反射和被PBS反射的反射光。法拉第反射镜被放置在延迟光纤的末端，以反射两次反射回到PBS103而穿过延迟光纤的反射光。法拉第反射镜131是一个45度法拉第反射镜，以完成一个旋转变化：被法拉第反射镜130反射的偏振态(SOP)，在沿着第一光路110中光纤每一点上，和前进入射光束的偏振态正交。结果，在PBS103中，反射信号的偏振态是和入射光的偏振态正交，因而所有光信号被导向PBS103的窗口3。反射镜140被放置在窗口3的末端，将来自窗口3的光反射回PBS103的窗口3，且不改变它的偏振态。反射镜140可以是一个直接贴在窗口3的表面上的平面镜，也可以中间隔着传输媒介和PBS103分开放置，例如一段保偏光纤或者是自由空间，在这种情况下，当光从平面镜140直接返回窗口3的时候偏振态不改变。因为从平面镜140反射的光保持了它的偏振态，PBS103再反射这个来自平面镜140的反射光从窗口2离开PBS103，并第三次穿过第一光路110中的延迟光纤，并第二次被法拉第反射镜130反射。这个来自法拉第反射镜的反射光第四次通过延迟光纤到达PBS103的窗口2。在PBS103，由法拉第反射镜两次反射的光的SOP和被PBS103反射的来自窗口3到窗口2的光的SOP正交，因而，也就和窗口1接收到的输入光的SOP相同。结果，被法拉第反射镜130两次反射的光，当其进入窗口2，会穿过PBS130到达PBS130的窗口1。因此，光在离开PBS103形成输出光102之前会通过延迟光纤整整四次。

图3展示了一个基于图1和图2四倍延迟光器件技术的可被选用的卓越的光延迟装置300。光延迟装置300包括一个光环行器310，一个输入光窗口301用来接受准备被延迟的输入光(例如，输入光束101)，一个输出光窗口302输出被延迟的光(例如输出光束102)，两个可用光窗口331和332用来连接光延迟器件340。光环行器310具有三个窗口1、2和3，用来引导接受自窗口1的光到窗口2，并引导接受自窗口2的光到窗口3。窗口1通过光纤或者自由空间与输入窗口301光学连接，用来接受输入光。窗口2通过光纤或者自由空间和PBS103的窗口1进行光学连接，用来将光导入PBS103，并接受来自PBS103的输出光。环行器310的窗口3通过光纤或者自由空间和窗口302光学连接，从而PBS103的窗口1收到的光是第一被环行器引导并从窗口302送出装置300。这个环形器310可以被图1和图2中的装置100或装置200来实现输入光101和输出光102。

在装置300中，图1和图2中的第一光路110被一个连接在PBS103的窗口2的光路321取代，第一用户光窗口331和一个光路322连接用户光窗口332和法拉第反射镜130。两个光路321和322相互不被直接连接，两个光路321和322中的任一个可以被光纤或自由空间分开。用户可以连接光延迟器件340到两个用户光窗口331和332，以控制在窗口302输出的返回光的延迟量，这个延迟器件的延迟量可以是固定的，也可以是可变的。窗口301、302、331和332可以是光纤光学中的普通光纤连接器的光纤窗口。装置的封装可将图3中所有的成份用外壳封装起来，窗口301、302、331和332安装在装置的护套上，允许用户方便使用。所有成份可以被封装进一个外壳，外壳可以是一个可以描画的盒子，画上虚线。

图4展示了一个使用图2所示的可变光延迟技术的时域OCT的例子。一个宽带光源401，比如一个高亮度LED(SLED)，可以用作OCT的输入光。一个光环行器310引导来自SLED401的输入光到一个光适配器410，该适配器分开输入光为沿着所述光路411的所述光束和沿着一个分开的探测光路412的信号光束。信号光束被引导到一个在末端的光探头420，发射一个信号光束到被测样品，测量和收集来自样品的反射信号光。被收集的来自样品的探测光束被光探头420沿着探测光路412引导到适配器410。所述光束被引导到图2中的可变光延迟装置200，该装置连接到所述光路411中。从可变光延迟装置200来的反射光束被混合在适配器410处的反射信号光束和另外一个干涉。适配器410产生一个第一输出光束到第一光探测器450，第二输出光束到引导第二输出光束的环行器310到第二光探测器460。一个OCT处理模块470被连接到光探测器450和460，用来处理探测器的输出信号，和产生样品的OCT测量。

一个光电振荡器(OEO)可以采用图1或图2，所示的任何一个光延迟装置。图5展示了一个使用了图1中光延迟装置的光电振荡器(OEO)。OEO包括一个激光光源，用来产生一个CW激光光束502。一个光调节器510调节CW激光响应，用于调制控制信号512，来产生一个调制光。一个来自光调制器510的部分或全部调制的输出光被耦合到穿过一个包含图1中的光延迟装置100的光纤卷。装置100和环行器310构成一个延迟模块540，连接到光电回路的光学部分。光环行器310的输出光(该光已经被延迟)被导向到一个光探测器550，并产生一个探测输出。探测输出被引导到一个电路580，电路从探测器输出产生一个调制控制信号。在这个例子中，电路580包含一个放大器560和一个电子带通滤波器570，用来选择为调制控制信号所选择的振荡频率。电路580可以被设置成允许入射一个电信号到回路或电信号的分开部分，形成电输出。从光调节器510到光探测器550的信号通路构成光电回路的光学部分和光探测器550，电路580和光光调节器510构成光电回路的电子部分。整个回路获得光电回路是大于整个回路损失，从电路580反馈到光调节器510是相位调制，因而该回路可以支撑振动在一个被电子带通滤波器570选择好的频率。一个可变光延迟装置可用作通过改变光延迟540来改变整个回路延迟，比如使用图2的设计。这个在光延迟中的变化可以通过改变内部电子带通滤波器的带宽来改变振荡频率。

在本说明书中包含的许多细节，在发明或者权利要求描述中受到了限制，但是，更进一步的特征细节可在本发明的具体实施中加以体现。在这份说明书上下文中描述的某些特征，既可以单独实现，也可以组合实现。反之，在上下文中单独具体化的描述的不同特征，也可以被分别通过进一步的组合多重实现。此外，虽然特征也许被描述为以上某种联合和甚至最初的主张，一个或者更多的来自权利要求的特征组合，在某种情况下可以从组合中分离，权利要求的组合可以被执行为进一步的组合，或者进一步组合的变化组合。

这里只举出了少量的事例，显然，还可以有其他的增加和变化。

Claims (21)

1.一种光学装置，其特征在于，该装置包括：

一个光偏振分束器(PBS)具有一个第一窗口，一个第二窗口和一个第三窗口，其中一个第一光偏振态的光从PBS第一窗口和第二窗口之间传输穿过，垂直于第一偏振态的光的第二光偏振态的光进入第二窗口和第三窗口中的其中一个，会被反射到第二窗口和第三窗口中的另外一个。

具有第一端点的第一光路与PBS的第二窗口进行光学连接，用来接收来自第二窗口的光，并引导光到第二窗口。

一个偏振反射器连接到第一光路的第二端口，用来将从第一光路接收到的光反射回第一光路，此时反射光的偏振方向会和开头进入第一光路从PBS第二窗口出射的光的偏振相垂直。

一个具有第一端点的第二光路被连接在PBS的第三窗口，用来接受来自第二窗口的光，并引导光到第三窗口；和

一个反射器被连接到第二光路的第二端点，将收到的来自第二光路的光反射回到第二光路，反射光的光偏振态和先前进入第二光窗口时到在第三窗口的光的偏振态一致。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于：偏振反射器是一个法拉第反射镜，连接到第一光路的第二端口，用来将来自第一光路的光反射回第一光路，此时沿着第一光路上的每一个位置，反射光的光偏振和从PBS向着法拉第旋转镜入射的时候的偏振态相互垂直。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于：第一光路由保偏(PM)光纤组成；和

偏振反射器由一个反射镜和一个四分之一波片构成，四分之一波片的两个相互垂直的主偏振轴中的一个和PM光纤的偏振主轴成45度夹角；

这里四分之一波片光学连接在反射镜和保偏光纤的末端。

4.如权利要求1所述装置，其特征在于，还包括：在第一光路中设置一个可变延迟器件，用来改变第一光路的光程长度。

5.如权利要求1所述装置，其特征在于，在第一光路还包括由一个光纤环和一个作用于光纤环的光纤拉伸器，以改变光纤环的光程。

6.如权利要求1所述装置，其特征在于，还包括：

一个光纤环行器导入输入光到PBS的第一窗口，并引导来自用作输入光分束的PBS的第一窗口的输出光。

7.如权利要求1所述装置，其特征在于，

所述第一光路部分包括在一侧的第一端点，到另外一侧的第一窗口为止，第二光路，分开光路部分包括在一侧的第二端点，到另一侧第二光窗口为止。

8.一种光学装置，其特征在于，包括：

一个光源发出一束光：

一个光耦合器用来接受光，并将该光束分开为一个信号光束和一个参考光束；

一个参考光路接受参考光束，并将参考光束反射回光耦合器；和

一个信号光路用来接收信号光束，并带有一个光探头，兼用作发射信号光束到样品和收集来自样品的反射光，将这个反射光作为反射信号光束向着光耦合器方向传播进入信号光路，该光束混合了反射信号光束和反射参考光束，产生一个光干涉信号，

其中参考光路包括一个光延迟装置，该装置包括：

一个光偏振分束器(PBS)具有一个第一窗口，一个第二窗口和一个第三窗口，其中处于第一光偏振态的光从PBS的第一窗口和第二窗口之间传输通过，处于第二偏振态的光(其偏振和第一偏振态正交)进入第二窗口和第三窗口中其中一个，会被反射到第二窗口和第三窗口中的另外一个，而且其中第一窗口接受参考光束，PBS将收到的参考光束传输到第二窗口；

一个第一光路具有第一端点，和PBS的第二窗口光学连接，用来接受来自第二窗口的光，并引导光到第二窗口；

一个偏振反射器连接到第一光路的第二端口，用来将从第一光路接收到的光反射回第一光路，此时反射光的偏振方向会和开头进入第一光路从PBS第二窗口出射的光的偏振相垂直。

一个可变光延迟器件连接在法拉第反射镜和PBS之间的第一光路之中，用来给第一光路中的光产生一个可变的光延迟。

一个第二光路具有一个光学连接到PBS的第三窗口的第一端点，用来接受来自第二窗口的光，并传导光到第三窗口；

一个反射镜连接到一个第二光路的第二端点，用来将来自第二光路的光反射回第二光路，该光的偏振态和在第三窗口的进入第二光路的时候的光的偏振相同。

9.如权利要求8所述装置，其特征在于，偏振反射器是一个法拉第反射镜，连接到第一光路的第二端口，用来将来自第一光路的光反射回第一光路，此时沿着第一光路上的每一个位置，反射光的光偏振和从PBS向着法拉第旋转镜入射的时候的偏振态相互垂直。

10.如权利要求8所述装置，其特征在于，包括：第一光路由保偏(PM)光纤组成；和偏振反射器由一个反射镜和一个四分之一波片构成，四分之一波片的两个相互垂直的主偏振轴中的一个和PM光纤的偏振主轴成45度夹角；这里四分之一波片光学连接在反射镜和保偏光纤的末端。

11.如权利要求8所述装置，其特征在于，该信号光路由连接到光探头的光纤构成。

12.如权利要求8所述装置，其特征在于，进一步包括：

一个第一光探测器用来接收来自光耦合器的光干涉信号的第一部分；

一个第二光探测器用来接收来自光耦合器的光干涉信号的第二部分；和

一个信号处理模块用来接受和处理来自第一和第二光探测器的输出，以产生一个样品的测量结果。

13.一种光学装置，其特征在于，包括：

一个光电振荡器具有一个闭合的光电回路，该回路包含一个用来调制CW激光器的光的光调制器，用来产生一个调制光输出以响应电调制信号，一个电子回路用来产生电调制控制信号，一个光回路用来接受调制光输出，一个光探测器被连接在光回路和电子电路之间，用来引导来自光回路的光，并产生一个探测输出，光被导入电路产生电调制控制信号，

其中光回路中包括一个光延迟模块，用来接受至少一个调制光输出的一部分，光延迟模块包括：

一个具有一个用来接受调制光输出的光的第一窗口的光偏振分束器(PBS)，连接到光回路中，一个第二窗口和一个第三窗口，其中具有第一光偏振态的光从PBS的第一窗口和第二窗口之间穿过，具有偏振方向与第一光偏振态的方向垂直的第二偏振态的光，进入第二窗口和第三窗口之一会被反射到第二或第三中另外一个窗口，其中第一窗口用来接受参考光束，PBS将收到的参考光束传输到第二窗口；

一个第一光路的第一端点和PBS的第二窗口连接，用来接受来自第二窗口的光，并引导光至第二窗口；

一个偏振反射器连接到第一光路的第二端口，用来将从第一光路接收到的光反射回第一光路，此时反射光的偏振方向会和开头进入第一光路从PBS第二窗口出射的光的偏振相垂直。

一个第二光路，其第一端点光学连接到光偏振分束器PBS的第三窗口，并引导光到第三窗口；

一个反射器和第二光路的第二端点相连接，用来将接受自第二光路的光以反射光偏振的方式反射回第二光路，其偏振态和光进入第二光路第三窗口的时候的光偏振态一致。

14.如权利要求13所述装置，其特征在于，还包括，偏振反射器是一个法拉第反射镜，连接到第一光路的第二端口，用来将来自第一光路的光反射回第一光路，此时沿着第一光路上的每一个位置，反射光的光偏振和从PBS向着法拉第旋转镜入射的时候的偏振态相互垂直。

15.如权利要求13所述装置，其特征在于，第一光路由保偏(PM)光纤组成；和偏振反射器由一个反射镜和一个四分之一波片构成，四分之一波片的两个相互垂直的主偏振轴中的一个和PM光纤的偏振主轴成45度夹角；这里四分之一波片光学连接在反射镜和保偏光纤的末端。

16.如权利要求13所述装置，其特征在于，还包括由一个产生CW激光到光调制器的光的激光器组成的光电振荡器。

17.如权利要求13所述装置，其特征在于，还包括由一个电子带通滤波器组成的电路。

18.如权利要求13所述装置，其特征在于，还包括  由在第一光路中的可变光延迟器件构成的光延迟模块；该器件用来改变第一光路中的光的延迟量。

19.如权利要求13中所述装置，其特征在于，该光延迟模块由一个光纤环和一个作用于光纤环，以改变光纤环的长度的光纤拉伸器构成；该光纤环和光纤拉伸器均连接在第一光路中，以改变第一光路中的光的延迟量。

20.一种在光中提供光延迟的方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用一个具有第一窗口、第二窗口和第三窗口的光偏振分束器，引导处于第一偏振态的光从第一窗口和第二窗口之间穿过，到达第一光路；

被第一光路接收到的光反射返回到PBS的第二光路，该反射光所具有的光偏振状态为：在沿着第一光路的每一个位置上，反射光的偏振方向和最初从PBS进入第一光路的光的偏振方向垂直；

PBS对第二窗口接收到的光进行反射，将其反射到PBS的第三窗口；

反射PBS的第三窗口的输出光束光回到PBS的第二窗口并进入第一光路，此时其偏振态与从第二窗口向第三窗口传播的光束的偏振态相同；和

反射被第一光路接收到的输出光束回到PBS的第二窗口，得到一个反射的光偏振态，其偏振态为：沿着第一光路的每一个位置上，偏振态均和早先离开第一光路从离开到从PBS第二窗口反射输出到达PBS第三窗口的光束的偏振态垂直。

21.如权利要求20所述方法，其特征在于，调节第一光路的光程，以调节输出光束的光延迟量。

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