CN113948956A - 光谱加宽系统及激光放大光谱加宽方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种光谱加宽系统及激光放大光谱加宽方法，涉及激光技术领域，以在一定程度上降低光谱增益窄化效应，保证激光光谱较高的放大功率。本发明提供的光谱加宽系统,包括种子源、分束装置、整形光学组件、放大器以及合束装置；种子源的出光端口朝向分束装置的进光端口设置，分束装置将种子源发射的激光分成多路激光，且分束装置的出光端口朝向整形光学组件的进光端口设置；整形光学组件的数量与多路激光一一对应设置，且整形光学组件的出光端口朝向放大器的进光端口设置，放大器与整形光学组件一一对应设置，且放大器的出光端口朝向合束装置的进光端口设置。

Description

光谱加宽系统及激光放大光谱加宽方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其是涉及一种光谱加宽系统及激光放大光谱加宽方法。

背景技术

随着光纤激光技术的发展，光纤锁模激光器以其稳定性高、环境适应能力强等优点，作为超短脉冲激光器种子源在工业领域广为应用。为了降低后续功率放大过程中的非线性效应，在获得皮秒啁啾脉冲种子源后，进一步采用展宽器，如光纤或者CFBG(ChirpedFiber Bragg Gratings)啁啾光纤光栅等将脉宽展宽到数百皮秒甚至纳秒。再通过光子晶体光纤或者固体晶体材料将脉冲能量进一步放大，然后使用光栅对或啁啾体布拉格光栅将脉宽压缩到飞秒量级。

固体激光放大器以其放大能量高、非线性效应小、技术成熟、成本低等优点，非常适合高功率高能量超短脉冲激光器放大。但由于晶体材料发射光谱宽度相对固定以及光谱增益窄化效应，导致经固体放大器后的光谱比光纤种子源窄，而根据傅里叶变换极限，对于高斯型光脉冲，Δt×Δv≥0.441，脉冲宽度与光谱宽度成反比，脉冲宽度无法进一步压窄。

因此，为了获得比较窄的脉宽，需要较宽的光谱。而为了降低增益窄化效应，在传统钛宝石飞秒激光放大中，有些通过插入干涉滤光片、双折射晶体以及滤波器等调制种子源的光谱或者再生放大腔光谱，降低中心增益谱强度。但这些方法调制范围均为几十纳米，无法做到对几个纳米的小范围光谱精确调制，且影响放大增益。有些使用液晶调制器，但控制复杂、价格较高。

常规光纤锁模种子源可获得10nm甚至更宽的光谱，而固体放大器虽然增益谱宽可以达到10nm左右，但是在放大过程中由于增益光谱窄化效应，导致光谱宽度仅能达到2nm左右，高斯型脉冲脉宽压缩极限约780fs，限制了脉宽的压缩，浪费了种子源的光谱带宽。

因此，急需提供一种光谱加宽系统以及激光放大光谱加宽方法，以在一定程度上解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光谱加宽系统以及激光放大光谱加宽方法，以在一定程度上降低光谱增益窄化效应，在较高放大功率时保持较宽的激光光谱。

本发明提供的一种光谱加宽系统，包括种子源、分束装置、整形光学组件、放大器以及合束装置；所述种子源的出光端口朝向所述分束装置的进光端口设置，所述分束装置将所述种子源发射的激光分成多路激光，且所述分束装置的出光端口朝向所述整形光学组件的进光端口设置；所述整形光学组件的数量与多路所述激光一一对应设置，且所述整形光学组件的出光端口朝向所述放大器的进光端口设置，所述放大器与所述整形光学组件一一对应设置，且所述放大器的出光端口朝向所述合束装置的进光端口设置。

其中，所述放大器为固体放大器，所述固体放大器的进光端口朝向所述分束装置的出光端口设置，且包括泵浦源、耦合光学镜片组以及增益晶体。

具体地，所述整形光学组件包括准直镜；所述准直镜的进光端口朝向所述分束装置的出光端口设置，将多路所述激光进行准直。

进一步地，所述整形光学组件还包括隔离器，所述隔离器的进光端口朝向所述准直镜的出光端口设置。

更进一步地，所述整形光学组件还包括带通滤波器，所述带通滤波器的进光端口朝向所述分束装置的出光端口设置，所述带通滤波器的出光端口朝向所述准直镜的进光端口设置。

其中，本发明提供的光谱加宽系统，还包括反射镜，由所述整形光学组件的出光端口射出的光谱经过所述反射镜的反射进入所述放大器的进光端口。

具体地，所述增益晶体为块状结构或板条状结构或碟片状结构，且所述增益晶体掺杂Yb或Nd离子。

相对于现有技术，本发明提供的光谱加宽系统具有以下优势：

本发明提供的光谱加宽系统，包括种子源、分束装置、整形光学组件、放大器以及合束装置；种子源的出光端口朝向分束装置的进光端口设置，分束装置将种子源发射的激光分成多路激光，且分束装置的出光端口朝向整形光学组件的进光端口设置；整形光学组件的数量与多路激光一一对应设置，且整形光学组件的出光端口朝向放大器的进光端口设置，放大器与整形光学组件一一对应设置，且放大器的出光端口朝向合束装置的进光端口设置。

由此分析可知，本申请提供的光谱加宽系统，从种子源发出的激光直接由分束装置的进光端口进入分束装置，并经过分束装置将其分成多路激光，由分束装置的出光端口射出，并由整形光学组件的进光端口进入，经过每路激光对应的整形光学组件进行校准后发射至放大器的进光端口。

本申请中每路的放大器可具有单级或多级串联的放大结构，放大结构中每路晶体的增益谱与分束后各路激光的光谱相对应。每级放大结构可以是单程或者多程，将功率放大到所需要的程度。

在每路固体放大器中将各路超短激光放大后，由放大器的出光端口进入合束装置的进光端口，经过合束装置将多路放大后的激光合成一束。

本申请提供的光谱加宽系统中种子源产生的激光能够直接经过分束装置、整形光学组件、放大器以及合束装置。通过调节每路固体放大器的电流，调制各部分激光放大后的光谱强度，能够在合束时获得比较平滑连续的光谱曲线。并且，相较于单路直接放大带来的光谱增益窄化，采用多路光谱放大后合束的方式，可以降低光谱增益窄化效应，获得高功率和宽光谱，有利于后续对脉宽的压缩，获得更窄的飞秒脉宽。

此外，本发明还提供一种激光放大光谱加宽方法，包括如下步骤；步骤一、将种子源发出的激光穿过分束装置，通过所述分束装置分成多路激光；步骤二、多路所述激光对应多个整形光学组件，且每路光谱穿过对应的所述整形光学组件并进入对应的放大器；步骤三、放大器将所述激光的功率放大；步骤四、功率放大后的所述激光进入合束装置，由所述合束装置的出光端口射出后合成一束。

其中，所述步骤二中，当所述整形光学组件不包括带通滤波器时，所述放大器中的增益晶体为异种晶体；当所述整形光学组件包括带通滤波器时，所述增益晶体为同种晶体或异种晶体。

具体地，所述步骤三中，每路所述激光对应的所述放大器中的泵浦源独立可调。

采用本申请提供的激光放大光谱方法，通过将种子源产生的激光，经过分束装置分成多路。然后经整形光学组件整形，然后进入放大器放大，获得不同的多路放大光谱，且光谱接近。

然后再通过合束装置将放大后的多路激光合束，光谱和功率相对应叠加。调节各路放大泵浦电流，使放大后叠加的光谱曲线均匀平滑。相较于单路固体放大方式，增加了光谱宽度，降低了增益窄化效应，最终获得更窄的压缩脉宽，同时保持较高的放大功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的光谱加宽系统的整体布局图；

图2为本发明实施例提供的光谱加宽系统具有带通滤波器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的光谱加宽系统不具有带通滤波器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的激光放大光谱加宽放大的流程示意图。

图中：1-光纤种子源；2-分束装置；3-整形光学组件；301-准直镜；302-隔离器；303-带通滤波器；4-放大器；5-合束装置；6-反射镜。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如在此所使用的，术语“和/或”包括所列出的相关项中的任何一项和任何两项或更多项的任何组合。

为了易于描述，在这里可使用诸如“在……之上”、“上部”、“在……之下”和“下部”的空间关系术语，以描述如附图所示的一个元件与另一元件的关系。这样的空间关系术语意图除了包含在附图中所描绘的方位之外，还包含装置在使用或操作中的不同方位。

在此使用的术语仅用于描述各种示例，并非用于限制本公开。除非上下文另外清楚地指明，否则单数的形式也意图包括复数的形式。术语“包括”、“包含”和“具有”列举存在的所陈述的特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合。

由于制造技术和/或公差，可出现附图中所示的形状的变化。因此，这里所描述的示例不限于附图中所示的特定形状，而是包括在制造期间出现的形状上的改变。

这里所描述的示例的特征可按照在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的各种方式进行组合。此外，尽管这里所描述的示例具有各种各样的构造，但是如在理解本申请的公开内容之后将显而易见的，其他构造是可能。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

如图1所示，本发明提供一种光谱加宽系统，包括种子源、分束装置2、整形光学组件3、放大器4以及合束装置5；所述种子源的出光端口朝向所述分束装置2的进光端口设置，所述分束装置2将所述种子源发射的激光分成多路激光，且所述分束装置2的出光端口朝向所述整形光学组件3的进光端口设置；所述整形光学组件3的数量与多路所述激光一一对应设置，且所述整形光学组件3的出光端口朝向所述放大器4的进光端口设置，所述放大器4与所述整形光学组件3一一对应设置，且所述放大器4的出光端口朝向所述合束装置5的进光端口设置。

相对于现有技术，本发明提供的光谱加宽系统具有以下优势：

首先，本发明提供的光谱加宽系统，从种子源发出的激光直接由分束装置2的进光端口进入分束装置2，并经过分束装置2将其分成多路激光，由分束装置2的出光端口射出，并由整形光学组件3的进光端口进入，经过每路激光对应的整形光学组件3进行校准后发射至放大器4的进光端口，由放大器4放大后进入合束装置5汇总成一束。因此，本申请提供的光谱加宽系统无需采用光纤耦合再光纤合束的方法，提高了合束效率进而系统的工程可靠性。

其次，由于受到增益窄化的影响，以单路放大器4进行放大为例，放大后的光谱宽度仅为2nm，而根据高斯型脉冲相应的脉宽压缩极限是780fs，无法获得更窄的压缩脉宽，因此，提升光谱宽度，能够在一定程度上获得更窄的压缩脉宽。

本申请中通过分束装置2将一路激光分成多路激光，并使整形光学组件3以及放大器4与分出的多路激光一一对应设置，而每路的放大器4可具有单个或者多个串联的放大结构，放大结构中每路晶体的增益谱与分束后各路激光的光谱相对应。每个放大结构可以是单程或者多程，将功率放大到所需要的程度。

在每路固体放大器中将各路激光放大后，由放大器4的出光端口进入合束装置5的进光端口，经过合束装置5将多路放大后的激光合成一束，保证较高功率的同时，能够获得较窄的脉宽。并且，通过调节每路固体放大器的电流，调制各部分激光放大后的光谱强度，能够在合束时获得比较平滑连续的光谱曲线。

相较于单路直接放大带来的光谱增益窄化，采用多路光谱放大后合束的方式，可以降低光谱增益窄化效应，获得高功率和宽光谱，有利于后续对脉宽的压缩，获得更窄的飞秒脉宽。

此处需要补充说明的是，本申请中的种子源为光纤种子源1，能够产生宽光谱超短激光，分束装置2可以为光纤分束器，也可为空间镜片，使激光反射分成多路。通过分束装置2能够将单路光纤种子源1发出的超短激光按照需求分成多路。合束装置5能够将分散的多路放大激光在空间上合成一束，优选地，本申请中的合束装置5为空间光栅合束器，通过不同波长衍射角的不同合成一束，也可以是光纤合束器，通过耦合进多根光纤进行合束。

其中，本申请中的放大器4为固体放大器，固体放大器的进光端口朝向分束装置2的出光端口设置，且包括泵浦源、耦合光学镜片组、增益晶体以及分光镜片。

本申请中的泵浦源向增益晶体注入940nm的泵浦光，耦合光学镜片组具有准直镜301以及聚焦镜，940nm的泵浦光经过耦合光学镜片组进入增益晶体，为增益晶体放大1030nm的激光提供泵浦能量。

此处需要补充说明的是，优选地，本申请中的增益晶体为块状结构或板条状结构或碟片状结构，且增益晶体由掺杂Yb或Nd离子。

优选地，如图2所示，本申请中的整形光学组件3包括准直镜301；准直镜301的进光端口朝向分束装置2的出光端口设置，从而将分束装置2出光端口射出的多路激光整形准直。

进一步优选地，如图2所示，本申请中的整形光学组件3还包括隔离器302，隔离器302的进光端口朝向准直镜301的出光端口设置，通过隔离器302能够使激光单向通过，从而在一定程度上防止返回光损坏光纤。

当整形光学组件3仅存在准直镜301和隔离器302时，如图3所示，本申请提供其中一种实施方式为：

光纤种子源1采用SESAM锁模方式，通过CFBG进行展宽，经过光纤放大后，获得100mW、30MHz、100ps的超短激光，中心波长1030nm，光谱宽度10nm。超短激光在经过1×3路光纤分束器后分成三路输出，每路功率约33mW，光谱相同。再经过整形光学器件中准直器将光纤出来的种子光准直成平行光束，进入隔离器302，防止后面放大返回光进入光纤内部打坏光纤。

然后进入固体放大器，固体放大器中每路包含一级放大结构，由于未设置带通滤波器303，且分束装置2分成3路激光，因此，优选地，增益晶体选择Yb:YAG晶体、Yb:KGW晶体以及Yb:KYW晶体，Yb:YAG晶体增益中心光谱在1030nm附近，Yb:KGW晶体增益中心光谱在1026nm附近，Yb:KYW晶体增益中心光谱在1024nm附近。

泵浦结构采用端面泵浦，双程放大，调节每路不同的泵浦功率，使各路放大功率相同，均为3W。

在每路放大器4将各路光纤种子源1激光放大后，将每路放大激光通过透射式空间光栅，以光谱合束的方式将多路合成一束。此时再微调泵浦电流调节光谱增益，使合束后的光谱曲线连续平滑，经过三路合束后功率为8.3W。

由于每种晶体自身存在增益窄化，光谱宽度比原光纤种子源1宽度有所减少，部分光谱还有重合，合束后光谱宽度为6nm，根据傅里叶变换极限公式，高斯型脉冲相应的脉宽压缩极限可以到260fs，再经过一对光栅压缩后，测量脉宽约320fs，接近理论极限，光栅刻线1800线/mm。

此处需要补充说明的是，上述方式分成三路激光脉冲仅为未设置带通滤波器303的其中一种实施方式，可根据具体需求进行分路数量的设定。通过上述方式，可以大大加宽放大光谱，降低增益窄化的影响，获得更窄的压缩脉宽。

更进一步地，如图2所示，本申请中整形光学组件3还包括带通滤波器303，带通滤波器303的进光端口朝向分束装置2的出光端口设置，带通滤波器303的出光端口朝向准直镜301的进光端口设置。

当本申请中的整形光学组件3包括带通滤波器303时，如图2所示，提供了另一种实施方式为：

光纤种子源1仍采用SESAM锁模方式，并通过CFBG进行脉宽展宽，经过光纤放大后，获得100mW、30MHz、100ps的超短激光，中心波长1030nm，光谱宽度10nm。超短激光在经过1x5光纤分束器和5种不同中心波长的带通滤波器303后分成五路输出，功率和光谱均分，每路约20mW，光谱宽度约2nm，每路带通滤波器303分别将1025nm-1027nm、1027nm-1029nm、1029nm-1031nm、1031nm-1033nm以及1033nm-1035nm的各2nm光谱范围内的激光透过，其他波长过滤。再经过整形光学器件中准直器将光纤出来的种子光准直成平行光束，进入隔离器302，防止后面放大返回光进入光纤内部打坏光纤。

然后进入固体放大器，固体放大器中每路包含一级放大结构，由于设有带通滤波器303，因此，优选地，增益晶体为同种晶体，并选择Yb:YAG晶体，端面泵浦，双程放大，调节每路不同的泵浦功率，使各路功率放大后均为3W。

在每路放大器4将各路光纤种子源1激光放大后，将每路放大激光通过透射式空间光栅，以光谱合束的方式将多路合成一束，经过五路合束后功率为13.8W，光栅衍射效率约92％。

由于增益谱在两个边缘处增益较弱，光谱宽度比原光纤种子源1宽度有所减少，合束后光谱宽度为8nm，根据傅里叶变换极限公式，高斯型脉冲相应的脉宽压缩极限可以到200fs，再经过一对光栅压缩后，自相关仪测量脉宽约270fs，接近理论极限，光栅刻线1800线/mm。

此处需要补充说明的是，上述方式分成五路激光脉冲仅为设置带通滤波器303的其中一种实施方式，可根据具体需求进行分路数量的设定。通过上述两种实施方式，可以大大加宽放大光谱，降低增益窄化的影响，获得更窄的压缩脉宽。

具体地，如图2结合图3所示，本发明提供的光谱加宽系统，还包括反射镜6，由整形光学组件3的出光端口射出的光谱经过反射镜6的反射进入固体放大器的进光端口。

通过设置反射镜6，并使反射镜6位于放大器4和整形光学组件3之间，能够将整形光学组件3射出的激光反射至放大器4，并且，本申请中的反射镜6仅反射1030nm的激光，并透过940nm的激光，从而使放大器4能够对1030nm的激光功率进行放大。

此外，如图4所示，本发明还提供一种应用上述的光谱加宽系统的激光放大光谱加宽方法，包括如下步骤；步骤一、将种子源发出的激光穿过分束装置2，通过分束装置2分成多路激光；步骤二、多路激光对应多个整形光学组件3，且每路光谱穿过对应的整形光学组件3并进入对应的放大器4；步骤三、放大器4将激光的功率放大；步骤四、功率放大后的激光进入合束装置5，由合束装置5的出光端口射出后合成一束。

采用本申请提供的激光放大光谱方法，通过将种子源产生的超短激光，经过分束装置2分成多路。然后经整形光学组件3修正，当整形光学组件3不包括带通滤波器303时，放大器4中的增益晶体为异种晶体；当整形光学组件3包括带通滤波器303时，增益晶体为同种晶体或异种晶体。之后进入放大器4放大，获得不同的多路放大光谱，且光谱接近。

然后再通过合束装置5将放大后的多路激光合束，光谱和功率相对应叠加。调节各路放大泵浦电流，使放大后叠加的光谱曲线均匀平滑。相较于单路固体放大方式，增加了光谱宽度，降低了增益窄化效应，最终获得更窄的压缩脉宽，同时保持较高的放大功率。

此处需要补充说明的是，步骤三中，每路激光对应的放大器4中的泵浦源独立可调。使泵浦源独立可调能够避免每路激光互相干扰，从而使放大后获得的叠加光谱曲线均匀平滑。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光谱加宽系统，其特征在于，包括种子源、分束装置、整形光学组件、放大器以及合束装置；

所述种子源的出光端口朝向所述分束装置的进光端口设置，所述分束装置将所述种子源发射的激光分成多路激光，且所述分束装置的出光端口朝向所述整形光学组件的进光端口设置；

所述整形光学组件的数量与多路所述激光一一对应设置，且所述整形光学组件的出光端口朝向所述放大器的进光端口设置，所述放大器与所述整形光学组件一一对应设置，且所述放大器的出光端口朝向所述合束装置的进光端口设置。

2.根据权利要求1所述的光谱加宽系统，其特征在于，所述放大器为固体放大器，所述固体放大器的进光端口朝向所述分束装置的出光端口设置，且包括泵浦源、耦合光学镜片组以及增益晶体。

3.根据权利要求1所述的光谱加宽系统，其特征在于，所述整形光学组件包括准直镜；

所述准直镜的进光端口朝向所述分束装置的出光端口设置，将多路所述激光进行准直。

4.根据权利要求3所述的光谱加宽系统，其特征在于，所述整形光学组件还包括隔离器，所述隔离器的进光端口朝向所述准直镜的出光端口设置。

5.根据权利要求3所述的光谱加宽系统，其特征在于，所述整形光学组件还包括带通滤波器，所述带通滤波器的进光端口朝向所述分束装置的出光端口设置，所述带通滤波器的出光端口朝向所述准直镜的进光端口设置。

6.根据权利要求1所述的光谱加宽系统，其特征在于，还包括反射镜，由所述整形光学组件的出光端口射出的光谱经过所述反射镜的反射进入所述放大器的进光端口。

7.根据权利要求2所述的光谱加宽系统，其特征在于，所述增益晶体为块状结构或板条状结构或碟片状结构，且所述增益晶体掺杂Yb或Nd离子。

8.一种激光放大光谱加宽方法，其特征在于，包括如下步骤；

步骤一、将种子源发出的激光穿过分束装置，通过所述分束装置分成多路激光；

步骤二、多路所述激光对应多个整形光学组件，且每路光谱穿过对应的所述整形光学组件并进入对应的放大器；

步骤三、放大器将所述激光的功率放大；

步骤四、功率放大后的所述激光进入合束装置，由所述合束装置的出光端口射出后合成一束。

9.根据权利要求8所述的激光放大光谱加宽方法，其特征在于，所述步骤二中，当所述整形光学组件不包括带通滤波器时，所述放大器中的增益晶体为异种晶体；

当所述整形光学组件包括带通滤波器时，所述增益晶体为同种晶体或异种晶体。

10.根据权利要求8所述的激光放大光谱加宽方法，其特征在于，所述步骤三中，每路所述激光对应的所述放大器中的泵浦源独立可调。

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