CN111665222A - 飞秒泵浦探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种飞秒泵浦探测系统及方法,其中的方法包括如下步骤:S1、产生两束线偏振飞秒激光,一束作为泵浦光,另一束作为探测光;S2、通过将泵浦光聚焦到待测样品上,以激发待测样品;S3、将探测光转换为具有空间矢量光场的轴对称偏振光聚焦到待测样品上,探测待测样品经过泵浦光激发后载流子各向异性的变化;S4、采集轴对称偏振光在各偏振角度变化的强度信号,完成待测样品中载流子各向异性的动力学数据采集。本发明相比于通过半波片改变偏振方向多次扫描测量的方法,可以扫描一次得到样品中载流子各向异性的动力学过程,提高实验效率,减少样品的测量时间,最大限度地减少飞秒激光对样品的损伤,提高了实验的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及激光光谱表征技术领域,特别涉及一种飞秒泵浦探测系统及方法。
背景技术
飞秒泵浦-探测技术是一种可以在原子运动时间尺度上实时观察化学反应的有力手段,利用飞秒泵浦-探测技术,可以实时观察化学反应过渡态,在分子层面上了解化学反应的过程和机理,从而深入地了解化学反应的本质和历程。
利用飞秒激光器与空间光调制器产生的飞秒脉冲矢量光场已经被应用与激光加工等领域,但是利用飞秒脉冲矢量光场研究材料中载流子超快动力学的研究还未开展。飞秒脉冲矢量光场经过样品后将携带有样品中不同空间分布的电子弛豫的信息,通过光学参量的变化,可以分析其中电子失相、相干、能量传递等各向异性动力学过程。因此,将飞秒脉冲矢量光场应用于超快时间分辨光谱中的应用具有重要的科学意义。
传统的飞秒泵浦-探测系统采用旋转半波片的方法,调节激光的偏振态,通过改变泵浦光与探测光偏振方向的夹角,可以获得载流子在各个方向的分布情况。通常每隔10度测一个数据,需要测36个数据为一组,这样可以得到各向异性的完整信息,但是每测量一组数据通常需10-20分钟。如果利用传统的泵浦-探测系统获得各向异性的动力学过程(100个时间延迟点),通常需要10小时以上的时间,导致数据采集时间过长。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷,提出了一种基于飞秒空间矢量光场的飞秒泵浦探测系统及方法,采用飞秒矢量光场作为探测光可以将某一延迟时刻的各向异性数据采集时间从10-20分钟缩短到10-20秒,完整的动力学测量时间可以从10小时以上缩短到20分钟左右。
为实现上述目的,本发明采用以下具体技术方案:
本发明提供一种飞秒泵浦探测方法,包括如下步骤:
S1、产生两束线偏振飞秒激光,一束作为泵浦光,另一束作为探测光;
S2、通过将泵浦光聚焦到待测样品上,以激发待测样品;
S3、将探测光转换为具有空间矢量光场的轴对称偏振光聚焦到待测样品上,探测待测样品经过泵浦光激发后载流子各向异性的变化;
S4、采集轴对称偏振光在各偏振角度变化的强度信号,完成待测样品中载流子各向异性的动力学数据采集。
本发明还提供一种飞秒泵浦探测系统,包括:脉冲激光发射模块、样品激发模块、样品检测模块、光汇聚模块和信号采集模块,其中,
脉冲激光发射模块用于发出两束线偏振飞秒激光,一束作为泵浦光,另一束作为探测光;
样品激发模块用于将泵浦光反射到光汇聚模块;
样品检测模块用于将探测光转换为具有空间矢量光场的轴对称偏振光后反射到光汇聚模块;
光汇聚模块用于将泵浦光与轴对称偏振光汇聚到待测样品;其中,泵浦光用于激发待测样品,轴对称偏振光用于探测待测样品经过泵浦光激发后载流子各向异性的变化;
信号采集模块,用于采集轴对称偏振光在各偏振角度变化的强度信号。
优选地,脉冲激光发射模块包括飞秒激光器、第一光学参量放大器和第二光学参量放大器,飞秒激光器发出两束激光,一束激光经第一光学参量放大器调节波长后作为泵浦光,另一束激光经第二光学参量放大器调节波长后作为探测光。
优选地,样品检测模块包括依次设置在脉冲激光发射模块的出射方向上的光阑组、光学延迟线、第一反射镜组和轴对称偏振光转换器,光阑组用于对探测光进行准直,光学延迟线用于控制探测光与泵浦光之间的光程差,第一反射镜组用于将探测光反射至轴对称偏振光转换器,轴对称偏振光转换器用于将探测光转换为轴对称偏振光。
优选地,样品检测模块还包括设置在第一反射镜组与二向色镜之间的第一可调中性密度片和偏振片。
优选地,样品激发模块包括依次设置在脉冲激光发射模块的出射方向上的快门和第二反射镜组,快门用于控制泵浦光是否入射到第二反射镜组,第二反射镜组用于在泵浦光通过快门时,将其反射到光汇聚模块。
优选地,样品激发模块还包括设置在第二反射镜组中的半波片和第二可调中性密度片。
优选地,光汇聚模块包括二向色镜和透镜,二向色镜用于将先后将泵浦光与轴对称偏振光反射至透镜,透镜用于将泵浦光与轴对称偏振光聚焦到待测样品上。
优选地,信号采集模块包括相机和计算机,相机用于检测轴对称偏振光在各偏振角度变化的强度信号;计算机采集相机检测到的轴对称偏振光在各偏振角度变化的强度信号。
优选地,飞秒泵浦探测系统还包括位于待测样品与相机之间的检偏器。
本发明能够取得以下技术效果:
1、相比于通过半波片改变偏振方向多次扫描测量的方法,可以扫描一次得到样品中载流子各向异性的动力学过程,提高实验效率,减少样品的测量时间,最大限度地减少飞秒激光对样品的损伤,提高了实验的准确性。
2、采用飞秒矢量光场作为探测光可以将某一延迟时刻的待测样品各向异性数据采集时间从10-20分钟缩短到10-20秒,完整的动力学测量时间可以从10小时以上缩短到20分钟左右。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的飞秒泵浦探测系统的结构示意图;
图2是根据本发明一个实施例的飞秒泵浦探测系统的光路示意图;
图3是根据本发明一个实施例的偏振光转换为轴对称偏振光的示意图;
图4是根据本发明一个实施例的径向偏振和角向偏振光场在不同检偏器偏振方向下的光强分布示意图。
图5是根据本发明一个实施例的飞秒泵浦探测方法的流程示意图。
其中的附图标记包括:脉冲激光发射模块I、样品激发模块II、样品检测模块III、光汇聚模块IV、信号采集模块V、飞秒激光器1、第一光学参量放大器2-1、第二光学参量放大器2-2、对角反射镜3-1、第一反射镜3-2、光阑组4、光学延迟线5、第一可调中性密度片6-1、第二可调中性密度片6-2、偏振片7、轴对称偏振光转换器8、快门9、第四反射镜10-1、第五反射镜10-2、第六反射镜10-3、第七反射镜10-4、半波片11、二向色镜12、透镜13、检偏器14、相机15、计算机16、待测样品17、第八反射镜18、第九反射镜19、第十反射镜20。
具体实施方式
在下文中,将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中,相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下,它们的名称和功能也相同。因此,将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及具体实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,而不构成对本发明的限制。
本发明提供一种基于空间矢量光场的飞秒泵浦探测系统及方法,采用两束飞秒激光,一束作为泵浦光,一束作为探测光,先通过泵浦光激发被测样品,再将探测光转换为具有空间矢量光场的轴对称偏振光,以探测待测样品经过泵浦光诱导变化所带有的变化,通过检测空间上不同偏振角度的探测光强度信号的变化,进行数据采集后得到待测样品中载流子各向异性弛豫的动力学图像。
由于空间矢量光场在空间上具有各个偏振方向的光场分布特性,因此以空间矢量光场作为探测光将可以同时得到待测样品中载流子所有角度的信息,相比于传统的飞秒泵浦-探测系统采用半波片改变偏振方向多次扫描测量的方法,本发明可以扫描一次得到待测样品中载流子各向异性的动力学过程,可以极大地缩短待测样品中载流子各向异性的动力学数据的采集时间,从而提高实验效率,还能最大限度地减少飞秒激光对样品的损伤,提高实验的准确性。
以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图1示出了根据本发明一个实施例的飞秒泵浦探测系统的结构。
如图1所示,本发明实施例提供的飞秒泵浦探测系统,包括:脉冲激光发射模块I、样品激发模块II、样品检测模块III、光汇聚模块IV和信号采集模块V,其中,脉冲激光发射模块I用于发出两束线偏振飞秒激光,将其中的一束线偏振飞秒激光作为泵浦光,将另一束线偏振飞秒激光作为探测光;样品激发模块II用于将泵浦光反射到光汇聚模块;样品检测模块III用于将探测光转换为具有空间矢量光场的轴对称偏振光后反射到光汇聚模块;光汇聚模块IV用于将泵浦光与轴对称偏振光汇聚到待测样品;其中,泵浦光用于激发待测样品,轴对称偏振光用于探测待测样品经过泵浦光激发后载流子各向异性的变化;信号采集模块V,用于采集轴对称偏振光在各偏振角度变化的强度信号,完成待测样品中载流子各向异性的动力学数据采集,获得待测样品中载流子各向异性的动力学过程。
图2示出了根据本发明一个实施例的飞秒泵浦探测系统的光路。
如图2所示,脉冲激光发射模块包括:飞秒激光器1、第一光学参量放大器2-1和第二光学参量放大器2-2。
飞秒激光器1选用重复频率为1kHz的飞秒激光器,用于发出两束飞秒激光。
第一光学参量放大器2-1用于调节其中一束激光的波长作为泵浦光。具体地,飞秒激光器1发射出的一束激光经过第八反射镜18与第九反射镜19反射入射至第一光学参量放大器2-1。
第二光学参量放大器2-2用于调节另一束激光的波长作为探测光。具体地,飞秒激光器1发射出的另一束激光经过第八反射镜18与第十反射镜20反射入射至第二光学参量放大器2-2。
样品激发模块包括:依次设置在第二光学参量放大器2-2的出射方向上的光阑组4、光学延迟线5、第一反射镜组和轴对称偏振光转换器8。
光阑组4设置在第二光学参量放大器2-2的出射方向上,用于对探测光进行准直。由于两点成一条直线,因此光阑组4包括至少两个光阑。
光学延迟线5用于控制泵浦光与探测光之间的光程差。光学延迟线5可可以采用延迟位移台控制泵浦光与探测光之间的光程差来控制延迟时间。
第一反射镜组包括至少一个反射镜,用于将准直后的探测光经轴对称偏振光转换器8转换为轴对称偏振光后反射至二向色镜12。
在本发明的一个具体实施例中,第一反射镜组包括对角反射镜3-1、第一反射镜3-2,对角反射镜3-1设置在光学延迟线5内,第一反射镜3-2设置在对角反射镜3-1的反射方向上,探测光依次经过对角反射镜3-1、第一反射镜3-2的反射后入射到轴对称偏振光转换器8。
第一反射镜组设置三个反射镜的目的是为了保证探测光的光程满足飞秒泵浦探测系统。
轴对称偏振光转换器8用于将作为探测光的线偏振光转换为轴对称偏振光。本发明可以选择常用的空间液晶调制器作为轴对称偏振光转换器8线偏振的飞秒脉冲激光通过空间液晶调制器后可以转换为具有空间矢量光场的轴对称偏振光。
轴对称偏振光通常包括径向偏振光(Radially Polarized Laser Beam,RPLB)和角向偏振光(Azimuthally Polarized Laser Beam,APLB),是一种特殊的空间矢量光场,其电场振动方向在光束横截面上具有轴对称性,光束的波振面呈漩涡状,且中心呈现奇异性。(如图3所示)。
探测光经轴对称偏振光转换器8转换为径向偏振光或角向偏振光,在探测光转换为径向偏振光或角向偏振光后入射到二向色镜12。
轴对称偏振光转换器8不只局限于空间液晶调制器,还可以选用其他的光学元件将线偏振光转换为轴对称偏振光。
优选地,可以在第三反射镜3-3与轴对称偏振光转换器8之间依次设置有第一可调中性密度片6-1和偏振片7,第一可调中性密度片6-1用于调节探测光的光强,偏振片7用于控制探测光的偏振。
样品检测模块包括依次设置在脉冲激光发射模块的出射方向上的快门和第二反射镜组。
快门10设置在第一光学参量放大器2-1的出射方向上,用于控制泵浦光是否能够通过。当开启快门10时,泵浦光入射到二向色镜12,当关闭快门10时,泵浦光不会入射到二向色镜12。
第二反射镜组包括至少一个反射镜,用于在快门10开启时将泵浦光反射至二向色镜12。
在本发明的另一个具体实施例中,第二反射镜组包括第四反射镜10-1、第五反射镜10-2、第六反射镜10-3和第七反射镜10-4,泵浦光通过快门10后依次经过第四反射镜10-1、第五反射镜10-2、第六反射镜10-3和第七反射镜10-4的反射入射到二向色镜12。
第二反射镜组设置四个反射镜的目的是为了保证泵浦光的光程满足飞秒泵浦探测系统。
设置第一反射镜组与第二反射镜组的另一个目的是为了保证探测光与泵浦光的光程大致保持一致。
优选地,可以在第五反射镜10-2与第六反射镜10-3设置有第二可调中性密度片6-2,用于调节泵浦光的光强。
在第六反射镜10-3与第七反射镜10-4之间设置有半波片11,用于调节泵浦光的偏振方向。
光汇聚模块包括:二向色镜12和透镜13;其中,二向色镜12用于将泵浦光与探测光进行空间同步,使泵浦光与探测光的光路重合,分别入射至透镜13。透镜13用于将探测光与泵浦光分别聚焦到待测样品17上。泵浦光用于激发待测样品17,而探测光用于探测待测样品17中载流子各向异性的变化。
信号采集模块包括相机15和计算机16;其中,相机15采用面阵相机,例如CCD或CMOS相机,探测待测样品17在有/无泵浦光激发时轴对称偏振光的强度变化,得到待测样品17中载流子各向异性弛豫的动力学图像。
面阵相机包括面阵探测器或四象限探测器,通过面阵探测器或四象限探测器检测探测不同偏振角度的探测光强度信号的变化。面阵探测器用于在空间上提取轴对称偏振光各个方位角的信号变化,而四象限探测器用于提取轴对称偏振光正交的两个方向的信号变化。
计算机16包括数据采集卡,数据采集卡用于采集相机15的探测器探测到的数据,最终获得待测样品的各向异性动力学的数据。
飞秒泵浦探测系统的工作原理为:飞秒激光器1发出两束脉冲激光,一束脉冲激光作为探测光,另一束激光作为泵浦光,探测光依次经探测光路、汇聚光路聚焦到待测样品17,泵浦光依次经激发光路、汇聚光路聚焦到待测样品17。
探测光路由第二光学参量放大器2-2、光阑组4、光学延迟线5、第一反射镜组、第一可调中性密度片6-1、偏振片7、轴对称偏振光转换器8构成,将线偏振的探测光转换为具有空间矢量光场的径向偏振光或角向偏振光入射到汇聚光路。
激发光路由第一光学参量放大器2-1、快门9、第二反射镜组、第二可调中性密度片6-2、半波片11构成,用于将泵浦光入射到汇聚光路。
汇聚光路由二向色镜12、透镜13构成,用于将探测光与泵浦光分别汇聚到待测样品17上。在光学延迟线5的作用下,泵浦光与探测光按照时序先后汇聚到待测样品17上,相机15分两次采集轴对称偏振光不同偏振角度的探测光的强度,即在泵浦光激发待测样品时,通过相机15采集一次轴对称偏振光各偏振角度的探测光的强度,在无泵浦光激发待测样品时,通过相机15再采集一次轴对称偏振光各偏振角度的探测光的强度,获得待测样品17中载流子各向异性弛豫的动力学图像,该动力学图像显示的是轴对称偏振光各偏振角度的光强分布。
本发明将探测光转换为具有空间矢量光场的轴对称偏振光,可以将某一延迟时刻的待测样品17各向异性数据采集时间从10-20分钟缩短到10-20秒,完整的动力学测量时间可以从10小时以上缩短到20分钟左右,极大地缩短待测样品17的测量时间,提高实验效率,最大限度地减少飞秒激光对待测样品17的损伤,提高实验的准确性。
优选地,可以在透镜13与相机15之间设置有检偏器14,检偏器14用于调节轴对称偏振光各个角度的光强。
图4是根据本发明一个实施例的径向偏振和角向偏振矢量光场在不同检偏器偏振方向下的光强分布。
如图4所示,a-e分别代表五种情况,a表示无检偏器时的情况,b表示检偏器的偏振方向为水平方向时的情况,c表示检偏器的偏振方向从水平方向逆时针旋转45度时的情况,d表示检偏器的偏振方向为垂直方向时的情况,e为检偏器的偏振方向从垂直方向逆时针旋转45度时的情况。
①为相机检测到的径向偏振光在检偏器不同偏振方向下的光强分布。
②为相机检测到的角向偏振光在检偏器不同偏振方向下的光强分布。
由于待测样品17在激发前与激发后的变化非常小,因此图4示出的轴对称偏振光在检偏器不同偏振方向下的光强分布很难分别出激发前与激发后的差别。该差别由图像的灰度值进行体现。
上述内容详细说明了本发明提供的飞秒泵浦探测系统的结构及其工作原理。与上述飞秒泵浦探测系统相对应,本发明还提供一种利用飞秒泵浦探测系统进行探测的方法。
图5示出了根据本发明一个实施例的飞秒泵浦探测方法的流程。
如图5所示,本发明实施例提供的秒泵浦探测方法,包括如下步骤:
S1、产生两束线偏振飞秒激光,一束作为泵浦光,另一束作为探测光。
本发明通过飞秒激光器产生两束飞秒激光,两束飞秒激光分别经过第一光学参量放大器和第二光学参量放大器调节波长后作为泵浦光和探测光。
S2、通过将泵浦光聚焦到待测样品上,以激发待测样品。
泵浦光在通过快门后经第二反射镜组反射至二向色镜,在二向色镜的作用下反射至透镜,在透镜的作用下聚焦到待测样品上。
S3、将探测光转换为具有空间矢量光场的轴对称偏振光聚焦到待测样品上,探测待测样品经过泵浦光激发后载流子各向异性的变化。
探测光先经过光阑组进行准直后入射至光学延迟线,在经过光学延迟线的延迟后通过第一反射组反射至轴对称偏振光转换器,探测光经轴对称偏振光转换器转换为轴对称偏振光后入射至二向色镜,二向色镜将轴对称偏振光反射至透镜,透镜将轴对称偏振光聚焦到待测样品上。
S4、采集轴对称偏振光在各偏振角度变化的强度信号,完成待测样品中载流子各向异性的动力学数据采集。
当泵浦光被快门拦截时,待测样品的载流子经过弛豫时间后恢复到平衡态,再通过相机采集一次探测光在空间上不同偏振角度的信号。再通过相机采集一次探测光在空间上不同偏振角度的信号,通过两侧信号强度的对比,即可获得探测光在空间上不同偏振角度上的强度变化,即待测样品中载流子各向异性的变化,从而获得待测样品中载流子所有角度的信息,完成待测样品中载流子各向异性的动力学数据采集,最终获得待测样品中载流子各向异性的动力学过程,可通过各向异性弛豫的动力学图像进行表示。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形,均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种飞秒泵浦探测方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、产生两束线偏振飞秒激光,一束作为泵浦光,另一束作为探测光;
S2、通过将所述泵浦光聚焦到待测样品上,以激发所述待测样品;
S3、将所述探测光转换为具有空间矢量光场的轴对称偏振光聚焦到所述待测样品上,探测所述待测样品经过所述泵浦光激发后载流子各向异性的变化;
S4、采集所述轴对称偏振光在各偏振角度变化的强度信号,完成所述待测样品中载流子各向异性的动力学数据采集。
2.一种飞秒泵浦探测系统,其特征在于,包括:脉冲激光发射模块、样品激发模块、样品检测模块、光汇聚模块和信号采集模块,其中,
所述脉冲激光发射模块用于发出两束线偏振飞秒激光,一束作为泵浦光,另一束作为探测光;
所述样品激发模块用于将所述泵浦光反射到所述光汇聚模块;
所述样品检测模块用于将所述探测光转换为具有空间矢量光场的轴对称偏振光后反射到所述光汇聚模块;
所述光汇聚模块用于将所述泵浦光与所述轴对称偏振光汇聚到所述待测样品;其中,所述泵浦光用于激发所述待测样品,所述轴对称偏振光用于探测所述待测样品经过所述泵浦光激发后载流子各向异性的变化;
所述信号采集模块,用于采集所述轴对称偏振光在各偏振角度变化的强度信号。
3.根据权利要求2所述的飞秒泵浦探测系统,其特征在于,所述脉冲激光发射模块包括飞秒激光器、第一光学参量放大器和第二光学参量放大器,所述飞秒激光器发出两束激光,一束激光经所述第一光学参量放大器调节波长后作为泵浦光,另一束激光经所述第二光学参量放大器调节波长后作为探测光。
4.根据权利要求2所述的飞秒泵浦探测系统,其特征在于,所述样品检测模块包括依次设置在所述脉冲激光发射模块的出射方向上的光阑组、光学延迟线、第一反射镜组和轴对称偏振光转换器,所述光阑组用于对所述探测光进行准直,所述光学延迟线用于控制所述探测光与所述泵浦光之间的光程差,所述第一反射镜组用于将所述探测光反射至所述轴对称偏振光转换器,所述轴对称偏振光转换器用于将所述探测光转换为轴对称偏振光。
5.根据权利要求4所述的飞秒泵浦探测系统,其特征在于,所述样品检测模块还包括设置在所述第一反射镜组与所述二向色镜之间的第一可调中性密度片和偏振片。
6.根据权利要求2所述的飞秒泵浦探测系统,其特征在于,所述样品激发模块包括依次设置在所述脉冲激光发射模块的出射方向上的快门和第二反射镜组,所述快门用于控制所述泵浦光是否入射到所述第二反射镜组,所述第二反射镜组用于在所述泵浦光通过所述快门时,将其反射到所述光汇聚模块。
7.根据权利要求6所述的飞秒泵浦探测系统,其特征在于,所述样品激发模块还包括设置在所述第二反射镜组中的半波片和第二可调中性密度片。
8.根据权利要求3或6所述的飞秒泵浦探测系统,其特征在于,所述光汇聚模块包括二向色镜和透镜,所述二向色镜用于将先后将所述泵浦光与所述轴对称偏振光反射至所述透镜,所述透镜用于将所述泵浦光与所述轴对称偏振光聚焦到所述待测样品上。
9.根据权利要求2所述的飞秒泵浦探测系统,其特征在于,所述信号采集模块包括相机和计算机,所述相机用于检测所述轴对称偏振光在各偏振角度变化的强度信号;所述计算机采集所述相机检测到的所述轴对称偏振光在各偏振角度变化的强度信号。
10.根据权利要求2所述的飞秒泵浦探测系统,其特征在于,还包括位于所述待测样品与所述相机之间的检偏器。
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