CN112332199A - 一种全光纤高重复频率脉冲产生系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全光纤高重复频率脉冲产生系统及方法,所述系统包括设定个数的共线式脉冲复制单元及一个分束式脉冲复制单元;第1级共线脉冲复制单元,用于将设定脉冲宽度、设定重复频率为frep的入射脉冲调制为两个时间间隔为t、重复频率为2frep的超短脉冲序列;第m级共线脉冲复制单元,用于根据两个时间间隔为t/2m‑2、重复频率为2m‑1frep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m‑1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列;分束式脉冲复制单元,用于根据两个时间间隔为t/2m‑1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m、重复频率为2m+ 1frep的超短脉冲序列。本发明所述系统,有效提高了输入脉冲的重复频率并降低脉冲序列时间间距,同时方案较为简单且系统便于集成。
Description
技术领域
本发明涉及超短脉冲技术领域,尤其涉及一种全光纤高重复频率脉冲产生系统及方法。
背景技术
高重复频率超短脉冲已经广泛应用于光学频率梳、高速光纤通讯、光子微波系统等领域,是国内外众多研究机构的研究热点之一;目前,随着激光消融技术的飞速发展,材料精密加工领域对高重复频率超短脉冲的需求日益增长,特别是使用现有激光系统,获得高重复频率脉冲串模式的激光光源成为提高系统加工效率和加工精度,降低激光加工系统开发和维护成本的重要研究课题之一。
当前直接产生高重复频率超短脉冲产生主要有两种技术手段;首先是使用腔型结构紧凑的光纤或者固体激光器,通过缩短腔长实现重复频率的提升,然而受限于器件和增益光纤的限制,需要较高的泵浦功率以实现稳定的锁模脉冲,否则将会导致激光系统工作稳定性下降;另一种技术手段是通过电光调制技术,通过对连续激光器的相位和幅度进行多次调制,获得高重复频率脉冲序列,但是受限于调制后的光谱宽度,且需要复杂的频谱扩展技术才能获得皮秒量级的脉冲;另外一种技术途径是通过外置延时线的方式获得高重复频率脉冲序列,其核心是通过偏振分束原理,对不同偏振态进行延时再合束,提高脉冲的重复频率;这种技术通常使用空间结构,体积大、成本高,调节操纵复杂,系统难以集成。
发明内容
有鉴于此,有必要提供一种全光纤高重复频率脉冲产生系统及方法,用以解决现有技术中方案复杂及难以集成的问题。
本发明提供一种全光纤高重复频率脉冲产生系统,其特征在于,包括设定个数的共线式脉冲复制单元及一个分束式脉冲复制单元,所述设定个数的共线脉冲复制单元依次连接后与所述分束式脉冲复制单元连接;
第1级共线脉冲复制单元,用于将设定脉冲宽度、设定重复频率为frep的入射脉冲调制为两个时间间隔为t、重复频率为2frep的超短脉冲序列;第m级共线脉冲复制单元,用于根据所述两个时间间隔为t/2m-2、重复频率为2m-1frep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m-1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列;所述分束式脉冲复制单元,用于根据所述两个时间间隔为t/2m-1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m、重复频率为2m+1frep的超短脉冲序列;m为共线脉冲复制单元的设定个数,m≥2。
进一步地,所述共线式脉冲复制单元包括光纤环形器、低反射率光纤光栅、可调衰减器及高反射率光纤光栅,所述光纤环形器的第一输出端口与低反射率光纤光栅连接,所述低反射率光纤光栅、可调衰减器、高反射率光纤光栅依次连接。
进一步地,所述第1级共线脉冲复制单元还包括输入跳线头,所述输入跳线头与所述光纤环形器输入端口连通,所述光纤环形器用于接收入射脉冲。
进一步地,所述光纤环形器的输入端口用于接收所述入射脉冲,所述入射脉冲经过光纤环形器第一输出端口进入低反射率光纤光栅;
所述低反射率光纤光栅用于将入射脉冲的一部分能量反射至所述光纤环形器第一输出端口,并将入射脉冲的另一部分能量传送至所述调光衰减器;
所述光纤环形器第二输出端口用于将所述入射脉冲的一部分能量输出,所述调光衰减器将用于所述入射脉冲的另一部分能量传送至高反射率光栅,所述高反射率光栅用于将所述入射脉冲的另一部分能量反射至所述光纤环形器第一输出端口,所述入射脉冲的另一部分能量经过光纤环形器第二输出端口输出。
进一步地,所述第1级共线脉冲复制单元的低反射率光纤光栅与高反射率光纤光栅之间的光纤长度为L1=c/2nfrep,所述第m级共线脉冲复制单元的低反射率光纤光栅与高反射率光纤光栅之间的光纤长度Lm=c/2nfrep·2m-1,其中,c为光速,n为光纤折射率。
进一步地,所述分束式脉冲复制单元包括光隔离器、光纤耦合器、第一光纤反射镜及第二光纤反射镜,所述光隔离器与光纤耦合器的第一输入端口连接,所述光纤耦合器的第一、第二输出端口分别与第一光纤反射镜和第二光纤反射镜连接。
进一步地,所述分束式脉冲复制单元还包括输出跳线头,所述输出跳线头与光隔离器的第二输入端口连接。
进一步地,所述光隔离器用于将入射脉冲的等分为两个能量相同的脉冲,所述第一光纤反射镜和第二光纤反射镜分别用于将两个能量相同的脉冲反射至光纤耦合器。
进一步地,所述光纤耦合器的第一输出端口至第一光纤反射镜之间的光纤长度与光纤耦合器的第一输出端口至第二光纤反射镜之间的光纤长度差L0=c/2nfrep,其中,c为光速,n为光纤折射率。
本发明还提供一种根据上述任一技术方案所述的全光纤高重复频率脉冲产生系统的方法,包括以下步骤:将设定脉冲宽度、设定重复频率为frep的入射脉冲调制为两个时间间隔为t、重复频率为2frep的超短脉冲序列;根据所述两个时间间隔为t/2m-2、重复频率为2m-1frep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m-1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列;根据所述两个时间间隔为t/2m-1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m、重复频率为2m+1frep的超短脉冲序列,m为共线脉冲复制单元的设定个数,m≥2。
与现有技术相比,本发明的有益效果包括:通过所述第1级共线脉冲复制单元,将设定脉冲宽度、设定重复频率为frep的入射脉冲调制为两个时间间隔为t、重复频率为2frep的超短脉冲序列;通过第m级共线脉冲复制单元,根据所述两个时间间隔为t/2m-2、重复频率为2m-1frep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m-1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列;通过所述分束式脉冲复制单元,用于根据所述两个时间间隔为t/2m-1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m、重复频率为2m+1frep的超短脉冲序列;有效提高了输入脉冲的重复频率并降低脉冲序列时间间距,同时方案较为简单且系统便于集成。
附图说明
图1为本发明提供的全光纤高重复频率脉冲产生系统的结构示意图;
图2为本发明提供的共线式脉冲复制单元的结构示意图;
图3为本发明提供的分束式脉冲复制单元的结构示意图;
图4为本发明提供的全光纤高重复频率脉冲产生系统的详细结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例,其中,附图构成本申请一部分,并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理,并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明实施例提供了一种全光纤高重复频率脉冲产生系统,其结构示意图,如图1所示,所述系统包括设定个数的共线式脉冲复制单元及一个分束式脉冲复制单元3,所述设定个数的共线脉冲复制单元依次连接后与所述分束式脉冲复制单元3连接;
第1级共线脉冲复制单元1,用于将设定脉冲宽度、设定重复频率为frep的入射脉冲调制为两个时间间隔为t、重复频率为2frep的超短脉冲序列;第m级共线脉冲复制单元2,用于根据所述两个时间间隔为t/2m-2、重复频率为2m-1frep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m-1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列;所述分束式脉冲复制单元3,用于根据所述两个时间间隔为t/2m-1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m、重复频率为2m+1frep的超短脉冲序列;m为共线脉冲复制单元的设定个数,m≥2。
优选的,所述共线式脉冲复制单元包括光纤环形器、低反射率光纤光栅、可调衰减器及高反射率光纤光栅,所述光纤环形器的第一输出端口与低反射率光纤光栅连接,所述低反射率光纤光栅、可调衰减器、高反射率光纤光栅依次连接;
需要说明的是,本发明涉及的所有所有器件均为光纤器件,可根据光脉冲的工作波长选取不同波段器件,这些器件可以应用于1.03μm、1.55μm和2μm波段;所述可调光衰减器,用于调节脉冲的时域幅度,可以是手动调节的机械衰减器,或电控调节的MEMS衰减器;
优选的,所述第1级共线脉冲复制单元还包括输入跳线头,所述输入跳线头与所述光纤环形器输入端口连通,所述光纤环形器用于接收入射脉冲;
一个具体实施例中,共线式脉冲复制单元的结构示意图,如图2所示,所述共线式脉冲复制单元包括输入跳线头100、光纤环形器200、低反射率光纤光栅300、可调衰减器400、高反射率光纤光栅301;输入脉冲信号重复频率为frep,经过跳线头100后进入光纤环形器200输入端口a,然后从第一输出端口b耦合进入低反射率光纤光栅300;入射脉冲信号的部分能量反射回到端口b,并从光纤环形器第二输出端口c输出;低反射率光纤光栅300透射的光脉冲,经过可调光衰减器400后,被高反射率光栅301反射,重新回到光纤环形器200的第一输出端口b,并从第二输出端口c输出;
由于入射脉冲经过了不同的光纤延时长度,具有了固定的时间差,当控制两个光纤光栅间光纤长度为Lm=c/2nfrep·2m-1时,可以获得时间间隔T=2nLm/c,即当共线式脉冲复制单元为第1级时,重复频率为2frep的脉冲序列;复制产生的第二个脉冲的幅度可以通过调节衰减器400的衰减幅度控制,实现等幅度或变幅度的脉冲序列;
优选的,所述光纤环形器的输入端口用于接收所述入射脉冲,所述入射脉冲经过光纤环形器第一输出端口进入低反射率光纤光栅;
所述低反射率光纤光栅用于将入射脉冲的一部分能量反射至所述光纤环形器第一输出端口,并将入射脉冲的另一部分能量传送至所述调光衰减器;
所述光纤环形器第二输出端口用于将所述入射脉冲的一部分能量输出,所述调光衰减器将用于所述入射脉冲的另一部分能量传送至高反射率光栅,所述高反射率光栅用于将所述入射脉冲的另一部分能量反射至所述光纤环形器第一输出端口,所述入射脉冲的另一部分能量经过光纤环形器第二输出端口输出;
优选的,所述第1级共线脉冲复制单元的低反射率光纤光栅与高反射率光纤光栅之间的光纤长度为L1=c/2nfrep,所述第m级共线脉冲复制单元的低反射率光纤光栅与高反射率光纤光栅之间的光纤长度Lm=c/2nfrep·2m-1,其中,c为光速,n为光纤折射率;
优选的,所述分束式脉冲复制单元包括光隔离器、光纤耦合器、第一光纤反射镜及第二光纤反射镜,所述光隔离器与光纤耦合器的第一输入端口连接,所述光纤耦合器的第一、第二输出端口分别与第一光纤反射镜和第二光纤反射镜连接;
优选的,所述分束式脉冲复制单元还包括输出跳线头,所述输出跳线头与光隔离器的第二输入端口连接;
一个具体实施例中,所述分束式脉冲复制单元包含光隔离器、2×2光纤耦合器、第一光纤反射镜、第二光纤反射镜和输出跳线头;输入信号光脉冲通过隔离器,隔离器与2×2光纤耦合器的第一输入端口连接,2×2光纤耦合器的第一、第二输出端口分别与第一光纤反射镜和第二光纤反射镜连接;第一和第二输出至光纤反射镜的光纤长度不同,取决于最终需要的光脉冲重复频率,其长度满足关系式L0=c/2nfrep;最后复制的脉冲序列所需的光纤长度较短,因此采用分束方式,只需要控制光纤耦合器第一和第二输出端口光纤长度差,即可精确控制光纤长度,满足高重复频率的脉冲产生;
另一个具体实施例中,所述分束式脉冲复制单元的结构示意图,如图3所示,所述分束式脉冲复制单元包括光隔离器500、2×2光纤耦合器600、第一光纤反射镜700、第二光纤反射镜701和输出跳线头101;输入脉冲信号通过光隔离器500进入分束式脉冲复制单元;
光隔离器500与2×2光纤耦合器600的第一输入端口连接,2×2光纤耦合器600的第一、第二输出端口分别与第一光纤反射镜700和第二光纤反射镜701连接;
经过隔离器500的光脉冲进入分束比为5:5的2×2光纤耦合器600,脉冲能量被等分;两个能量相同的脉冲非别被第一和第二输出连接的光纤反射镜700和701反射;当两个输出端口的光纤长度差为L0时,连个反射的脉冲时间差为T=2nL0/c;可以通过调节了两个端口的光纤长度差控制脉冲间的时间间隔,当光纤差满足关系式L0=c/2nfrep时,可以获得重复频率为2frep的脉冲序列;分束式脉冲复制单元所需的光纤长度没有特殊要求,只需要控制分束后光纤长度的差值,即可精确脉冲间的时间延时,提高超短脉冲的重复频率;
优选的,所述光隔离器用于将入射脉冲的等分为两个能量相同的脉冲,所述第一光纤反射镜和第二光纤反射镜分别用于将两个能量相同的脉冲反射至光纤耦合器。
优选的,所述光纤耦合器的第一输出端口至第一光纤反射镜之间的光纤长度与光纤耦合器的第一输出端口至第二光纤反射镜之间的光纤长度差L0=c/2nfrep,其中,c为光速,n为光纤折射率。
一个具体实施例中,所述全光纤高重复频率脉冲产生系统包括3个共线式脉冲复制单元及一个分束式脉冲复制单元,所述3个共线式脉冲复制单元分别为第1、第2、第3级共线式脉冲复制单元,其中,低反射光栅和高反射率光栅之间的光纤长度L取决于输入光脉冲信号的重复频率frep,第一级共线式脉冲复制单元的光纤长度满足关系式L1=c/2nfrep,且第1级共线式脉冲复制单元的光纤长度L1两倍于第2级共线式脉冲复制单元光纤长度L2,四倍于第3极共线式脉冲复制单元光纤长度L3;所述全光纤高重复频率脉冲产生系统的详细结构示意图,如图4所示;
入射脉冲由为中心波长1064nm、光谱宽度8nm、脉冲宽度和重复频率分别为10ps、125MHz的被动锁模光纤激光器提供;入射脉冲经过输入跳线头102首先注入第1级共线式脉冲复制单元,包含依次连接的光纤环形器202、低反射率光纤光栅302、光可调衰减器401、高反射率光纤光栅303;两个光纤光栅之间的光纤长度为0.8m,将产生两个时间间隔为4ns,重复频率为125MHz的脉冲序列;当两个具有延时的脉冲序列在光纤环形器202合束后,将会产生重复频率为250MHz的超短脉冲序列;
新产生的脉冲序列再次注入第2级共线式脉冲复制单元,所述第2级共线式脉冲复制单元包含依次连接的光纤环形器203、低反射率光纤光栅304、光可调衰减器、402高反射率光纤光栅305;设置两个光纤光栅之间的光纤长度为0.4m,将产生两个时间间隔为2ns,重复频率为250MHz的脉冲序列;
当两个具有延时的脉冲序列在光纤环形器203合束后,将会产生重复频率为500MHz的超短脉冲序列,重复频率再次加倍的脉冲序列注入第3级共线式脉冲复制单元;
所述第3级共线式脉冲复制单元包含依次连接的光纤环形器204、低反射率光纤光栅306、光可调衰减器403、高反射率光纤光栅307;设置两个光纤光栅之间的光纤长度为0.2m,将产生两个时间间隔为1ns,重复频率为500MHz的脉冲序列;当两个具有延时的脉冲序列在光纤环形器204合束后,将会产生重复频率为1GHz的超短脉冲序列;重复频率达到1GHz的脉冲序列注入第4级分束式脉冲复制单元;
所述分束式脉冲复制单元包含依次连接的光隔离器501、分束比为5:5的2×2光纤耦合器601的第一输入端口,分束为两路重复频率为1GHz的脉冲序列,分别经过光纤反射镜702和703反射回到光纤耦合器601;当两路光纤反射镜的光纤长度差为0.1m,将产生两个时间间隔为0.5ns,重复频率为500MHz的脉冲序列;合束后的脉冲序列将具有0.5ns的脉冲间隔,从而获得重复频率为2GHz的超短脉冲序列。
实施例2
本发明实施例提供了一种根据上述实施例1所述的全光纤高重复频率脉冲产生系统的方法,包括以下步骤:将设定脉冲宽度、设定重复频率为frep的入射脉冲调制为两个时间间隔为t、重复频率为2frep的超短脉冲序列;根据所述两个时间间隔为t/2m-2、重复频率为2m-1frep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m-1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列;根据所述两个时间间隔为t/2m-1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m、重复频率为2m+1frep的超短脉冲序列,m为共线脉冲复制单元的设定个数,m≥2。
本发明公开了一种通过所述第1级共线脉冲复制单元,将设定脉冲宽度、设定重复频率为frep的入射脉冲调制为两个时间间隔为t、重复频率为2frep的超短脉冲序列;通过第m级共线脉冲复制单元,根据所述两个时间间隔为t/2m-2、重复频率为2m-1frep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m-1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列;通过所述分束式脉冲复制单元,用于根据所述两个时间间隔为t/2m-1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m、重复频率为2m+1frep的超短脉冲序列;有效提高了输入脉冲的重复频率并降低脉冲序列时间间距,同时方案较为简单且系统便于集成;
本发明技术方案无需较高的泵浦功率以实现稳定的锁模脉冲,不受制于调制后的光谱宽度,且不需要复杂的频谱扩展技术,系统体积小、成本低;本发明技术方案使用成熟的锁模激光器即可获得高重复频率的超短脉冲序列;
本发明技术方案能够通过调节光衰减器,实现对脉冲序列中脉冲幅度的任意调节;本发明技术方案采用全光纤的设计结构,具有良好的长期稳定性和抗环境干扰能力,并采用偏振不敏感器件设计,这种方案对入射脉冲信号偏振态无特殊要求。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种全光纤高重复频率脉冲产生系统,其特征在于,包括设定个数的共线式脉冲复制单元及一个分束式脉冲复制单元,所述设定个数的共线脉冲复制单元依次连接后与所述分束式脉冲复制单元连接;
第1级共线脉冲复制单元,用于将设定脉冲宽度、设定重复频率为frep的入射脉冲调制为两个时间间隔为t、重复频率为2frep的超短脉冲序列;第m级共线脉冲复制单元,用于根据所述两个时间间隔为t/2m-2、重复频率为2m-1frep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m -1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列;所述分束式脉冲复制单元,用于根据所述两个时间间隔为t/2m-1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m、重复频率为2m+ 1frep的超短脉冲序列;m为共线脉冲复制单元的设定个数,m≥2。
2.根据权利要求1所述的全光纤高重复频率脉冲产生系统,其特征在于,所述共线式脉冲复制单元包括光纤环形器、低反射率光纤光栅、可调衰减器及高反射率光纤光栅,所述光纤环形器的第一输出端口与低反射率光纤光栅连接,所述低反射率光纤光栅、可调衰减器、高反射率光纤光栅依次连接。
3.根据权利要求2所述的全光纤高重复频率脉冲产生系统,其特征在于,所述第1级共线脉冲复制单元还包括输入跳线头,所述输入跳线头与所述光纤环形器输入端口连通,所述光纤环形器用于接收入射脉冲。
4.根据权利要求2所述的全光纤高重复频率脉冲产生系统,其特征在于,所述光纤环形器的输入端口用于接收所述入射脉冲,所述入射脉冲经过光纤环形器第一输出端口进入低反射率光纤光栅;
所述低反射率光纤光栅用于将入射脉冲的一部分能量反射至所述光纤环形器第一输出端口,并将入射脉冲的另一部分能量传送至所述调光衰减器;
所述光纤环形器第二输出端口用于将所述入射脉冲的一部分能量输出,所述调光衰减器将用于所述入射脉冲的另一部分能量传送至高反射率光栅,所述高反射率光栅用于将所述入射脉冲的另一部分能量反射至所述光纤环形器第一输出端口,所述入射脉冲的另一部分能量经过光纤环形器第二输出端口输出。
5.根据权利要求4所述的全光纤高重复频率脉冲产生系统,其特征在于,所述第1级共线脉冲复制单元的低反射率光纤光栅与高反射率光纤光栅之间的光纤长度为L1=c/2nfrep,所述第m级共线脉冲复制单元的低反射率光纤光栅与高反射率光纤光栅之间的光纤长度Lm=c/2nfrep·2m-1,其中,c为光速,n为光纤折射率。
6.根据权利要求1所述的全光纤高重复频率脉冲产生系统,其特征在于,所述分束式脉冲复制单元包括光隔离器、光纤耦合器、第一光纤反射镜及第二光纤反射镜,所述光隔离器与光纤耦合器的第一输入端口连接,所述光纤耦合器的第一、第二输出端口分别与第一光纤反射镜和第二光纤反射镜连接。
7.根据权利要求6所述的全光纤高重复频率脉冲产生系统,其特征在于,所述分束式脉冲复制单元还包括输出跳线头,所述输出跳线头与光隔离器的第二输入端口连接。
8.根据权利要求6所述的全光纤高重复频率脉冲产生系统,其特征在于,所述光隔离器用于将入射脉冲的等分为两个能量相同的脉冲,所述第一光纤反射镜和第二光纤反射镜分别用于将两个能量相同的脉冲反射至光纤耦合器。
9.根据权利要求6所述的全光纤高重复频率脉冲产生系统,其特征在于,所述光纤耦合器的第一输出端口至第一光纤反射镜之间的光纤长度与光纤耦合器的第一输出端口至第二光纤反射镜之间的光纤长度差L0=c/2nfrep,其中,c为光速,n为光纤折射率。
10.一种根据权利要求1-9任一所述的全光纤高重复频率脉冲产生系统的方法,其特征在于,包括以下步骤:将设定脉冲宽度、设定重复频率为frep的入射脉冲调制为两个时间间隔为t、重复频率为2frep的超短脉冲序列;根据所述两个时间间隔为t/2m-2、重复频率为2m- 1frep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m-1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列;根据所述两个时间间隔为t/2m-1、重复频率为2mfrep的超短脉冲序列,产生两个时间间隔为t/2m、重复频率为2m+1frep的超短脉冲序列,m≥2。
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CN202011162870.0A Active CN112332199B (zh) | 2020-10-27 | 2020-10-27 | 一种全光纤高重复频率脉冲产生系统及方法 |
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2020
- 2020-10-27 CN CN202011162870.0A patent/CN112332199B/zh active Active
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Title |
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CN112332199B (zh) | 2021-09-17 |
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