CN115127781A - 皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤阈值测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤阈值测试装置与方法,包括光学元件固定系统,损伤用皮秒激光系统,皮秒激光损伤监测系统和激光防护模块;该装置中与真空环境相关的在线CCD成像系统和待测光学元件放置角度固定,将需要调节的部分限制在调节自由度比较大的空气环境,通过利用旋转和上下移动的偏振片方便地实现了真空环境中皮秒激光光学元件的全角度激光损伤测试,避免了涉及真空环境调节不便的问题。该方法在测试区域内采用光斑叠合测试方法,并结合多脉冲辐照考察损伤的稳定性,能够准确评估光学元件在皮秒激光应用下可安全承受的能量密度。
Description
技术领域
本发明涉及皮秒激光用光学元件的激光损伤阈值测试,尤其是涉及一种皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤阈值测试装置及方法。
背景技术
在激光聚变快点火需求的牵引下,从上个世纪90年代,国内外开始积极开展高能皮秒拍瓦大型激光装置的研制。皮秒拍瓦激光装置向着大能量的发展,使得光学元件的抗激光损伤能力面临着巨大的考验和挑战,开展光学元件的抗皮秒激光损伤能力评估对光学元件制备工艺优化及其在激光系统中安全应用具有重要的实用价值。相比于常见的纳秒激光损伤测试,皮秒光学元件激光损伤测试具有自身的特殊性。短脉宽皮秒激光具有较高的峰值功率,在空气中聚焦可能会产生空气击穿以及非线性自聚焦效应,这会影响实际辐照于光学元件的能量和光斑测量的准确性,故真空环境是皮秒激光损伤测试必须要考虑的条件之一。然而真空系统很大程度上影响了外部光学系统的灵活调整,这需要对整体光路进行综合设计,以满足皮秒激光用光学元件的全角度真空激光损伤阈值测试需求。
发明内容
为克服上述现有技术的不足,针对皮秒激光光学元件工作角度基本在70°、45°、23°的现状,提出一种全角度真空激光损伤阈值测试装置和方法,该装置和方法简单方便,能够准确评估光学元件皮秒抗激光损伤能力。其中70°对应衍射元件的工作角度,45°对应反射元件工作角度,23°对应透射元件的工作角度。
本发明的技术解决方案如下:
一种皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤阈值测试装置,其特点在于,包括:光学元件固定系统,损伤用皮秒激光系统,皮秒激光损伤监测系统和激光防护模块;
所述光学元件固定系统,包括圆形真空腔体、位于该圆形真空腔体内的光学元件固定装置以及控制该光学元件位置的二维调整机构,所述光学元件固定装置用于固定待测光学元件,使所述待测光学元件的法线方向与水平方向顺时针成45°;在所述圆形真空腔体上分别设有与光学元件法线夹角成70°、63°、45°、23°的70°入射光管道、63°衍射光管道、45°入射光管道、45°反射光管道、23°入射光管道、23°透射光管道;
所述损伤用皮秒激光系统,包括皮秒激光器、能量调节器、快门、半波片,偏振片、第一45°反射镜、第二聚焦透镜、第二45°反射镜、第四聚焦透镜和第三聚焦透镜;
所述皮秒激光损伤监测系统,包括计算机、第一单面增透膜、第二单面增透膜、能量计、第一聚焦透镜、位于该第一聚焦透镜焦点位置的光束质量分析仪以及位于所述待测光学元件的法线方向且与所述圆形真空腔体相连的在线CCD成像系统,所述计算机分别与所述能量调节器、快门、能量计、光束质量分析仪、偏振片、在线CCD成像系统和光学元件固定装置相连;
所述激光防护模块,包括第一吸收池、第二吸收池、第三吸收池、第四吸收池,分别放置于偏振片的透射光方向以及63°衍射光管道、45°反射光管道、23°透射光管道的出口位置;
所述皮秒激光器输出的激光依次经过能量调节器、快门和半波片后,入射到所述第一单面增透膜,经该第一单面增透膜透射的透射光入射到所述偏振片,该偏振片由计算机控制,实现上下移动或角度旋转;
所述能量调节器用于改变光路中传输激光的能量大小,所述快门用于控制光路中激光的通断,所述半波片用于将光路中的激光转为垂直偏振激光,所述第一单面增透膜小角度放置用于激光取样,所述偏振片在56°~57.5°工作角度下消光比≥100:1,通过旋转和上下移动实现激光以70°、45°、23°的入射角度辐照于所述待测光学元件;
当所述偏振片的法线方向与入射激光逆时针夹角成-57.5°时,经该偏振片反射的第一发射光依次经所述第一45°反射镜、第二聚焦透镜和70°入射光管道辐照所述待测光学元件表面,经该待测光学元件衍射的衍射光通过所述63°衍射光管道由第二吸收池吸收;
当所述偏振片的法线方向与入射激光顺时针夹角成56°时,经该偏振片反射的第二发射光依次经所述第二45°反射镜、第四聚焦透镜和23°入射光管道辐照所述测试光学元件表面,经该待测光学元件透射的透射光通过所述23°透射光管道由第四吸收池吸收;
当所述偏振片向上移出光路时,经所述第一单面增透膜透射的透射光依次经所述第三聚焦透镜和45°入射光管道辐照所述待测光学元件表面,经该待测光学元件反射的反射光通过45°反射光管道由第三吸收池吸收;
经所述第一单面增透膜反射的反射光入射到所述第二单面增透膜,经该第二单面增透膜透射的透射光入射到所述能量计,经该第二单面增透膜反射的发射光,经所述第一聚焦透镜聚焦后,入射到光束质量分析仪上。
所述的第二单面增透膜和第一单面增透膜互相平行放置,且所述的第一单面增透膜和第二单面增透膜的前表面未镀膜,后表面均镀增透膜。
所述第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第四聚焦透镜的透镜焦距一致。
利用所述的皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤阈值测试装置进行皮秒激光损伤测试的方法,该方法包括下列步骤:
①计算机按测试需求控制偏振片选择三种状态中的一种:旋转到-57.5°、或56°或向上移出光路;
②计算机控制皮秒激光器以最优固定频率出光,将圆形真空腔体抽真空;
③计算机控制所述能量调节器调节激光能量使得辐照所述待测光学元件的初始激光能量密度不超过所述待测光学元件的皮秒本征损伤阈值;
④计算机设置光学元件固定装置的运动轨迹和水平方向的运动速度,使辐照在待测光学元件的激光光斑在~1cm2的测试区域内按照峰值能量密度的90%重叠;
⑤计算机控制所述快门打开,同时控制所述能量计和所述光束质量分仪实时采集能量数据E和光斑数据A,获取当前测试的能量密度F=E×N/A,其中N分光比,等于同一时刻辐照于所述待测光学元件的能量与所述能量计采集能量的比值;
⑥计算机控制在线CCD成像系统实时诊断所述待测光学元件损伤与否。
⑦当计算机检测到所述待测光学元件的运行到④中设置的运动轨迹的最后一个位置坐标时,则所述待测光学元件停止运动,并关闭所述快门;
⑧计算机统计所述1cm2测试区域内出现的损伤点数D及其损伤点的位置坐标。若当前1cm2测试区域未出现损伤点,则进行⑨;若当前1cm2测试区域出现损伤点,则所述计算机控制所述待测光学元件按照记录的损伤点位置坐标依次定位到损伤点并控制所述快门使得S个脉冲辐照定位的所述损伤点,同时所述在线CCD成像系统进行实时诊断,若损伤点没有发生变化则判定损伤点稳定,否则判定损伤点不稳定,直到所有损伤点均完成S个脉冲辐照。
⑨移动所述待测光学元件至下一个测试区域,所述计算机根据已测区域的损伤情况,调节所述能量调节器从而降低或者提高辐照所述待测光学元件(123)的激光能量,重复④~⑧,直到所述待测光学元件测试完成,所述在线CCD成像系统停止诊断,关闭所述皮秒激光器,所述圆形真空腔体放气;
⑩画出损伤点数D随能量密度F变化的曲线,并给出所述待测光学元件损伤点的稳定性情况。
本发明的技术效果是:
①本发明与真空环境相关的在线CCD成像系统和待测光学元件放置角度固定,将需要调节的部分限制调节自由度比较大的空气环境,通过改变空气环境中光路改变激光入射角度,避免了涉及真空环境调节不便的问题。
②本发明利用常规光学元件,如45°反射镜、偏振片等即可实现对真空环境下测试激光入射角度的自动调节,光路实施简单方便。
③本发明在1cm2测试区域内光斑叠合测试,并结合对损伤点的多脉冲辐照,能够准确评估光学元件在皮秒激光应用下的可安全承受的能量密度。
④该装置调节简单,可以方便实现真空环境下皮秒激光不同入射角度的测试,满足皮秒激光用光学元件的全角度测试需求。
附图说明
图1是皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤阈值测试装置的光路图。图中101—皮秒激光器,102—能量调节器、103—快门、104—半波片,105—第一单面增透膜、106—上下移动和旋转可调偏振片、107—第一吸收池、108—第二单面增透膜、109—第一聚焦透镜、110—能量计、111—光束质量分析仪、112—计算机、113—第一45°反射镜、114—第二聚焦透镜、115—70°入射光管道、116—63°衍射光管道、117—第二吸收池、118—第三聚焦透镜、119—45°入射光管道、120—第二45°反射镜、121—第四聚焦透镜、122—23°入射光管道、123—待测光学元件、124—圆形真空腔体、125—在线CCD成像系统、126—45°反射光管道、127-—第三吸收池、128—23°透射光管道、129—第四吸收池。
图2是偏振片的法线方向与入射激光逆时针夹角成-57.5°的示意图。
图3是偏振片的法线方向与入射激光顺时针夹角成56°的示意图。
图4是每个1cm2测试区域光斑叠合示意图。
图5是皮秒激光损伤测试阈值数据处理图。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明作进一步说明,但不应以此限制发明的保护范围。
请参阅图1。一种皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤阈值测试装置,其特征在于,包括:光学元件固定系统,损伤用皮秒激光系统,皮秒激光损伤监测系统和激光防护模块;
所述光学元件固定系统,包括圆形真空腔体124、位于该圆形真空腔体124内的光学元件固定装置以及控制该光学元件位置的二维调整机构,所述光学元件固定装置用于固定待测光学元件123,使所述待测光学元件123的法线方向与水平方向顺时针成45°;在所述圆形真空腔体124上设有与待测光学元件123法线夹角α等于70°的70°入射光管道115、与待测光学元件123法线夹角β等于63°的63°衍射光管道116、与待测光学元件123法线夹角γ等于45°的45°入射光管道119、与待测光学元件123法线夹角χ等于45°的45°反射光管道126与待测光学元件123法线夹角θ等于23°的23°入射光管道122、与待测光学元件123法线夹角i等于23°的23°透射光管道128;
所述损伤用皮秒激光系统,包括皮秒激光器101、能量调节器102、快门103、半波片104,偏振片106、第一45°反射镜113、第二聚焦透镜114、第二45°反射镜120、第四聚焦透镜121和第三聚焦透镜118;
所述皮秒激光损伤监测系统,包括计算机112、第一单面增透膜105、第二单面增透膜108、能量计110、第一聚焦透镜109、位于该第一聚焦透镜109焦点位置的光束质量分析仪111以及位于所述待测光学元件123的法线方向且与所述圆形真空腔体124相连的在线CCD成像系统125,所述计算机112分别与所述能量调节器102、快门103、能量计110、光束质量分析仪111、偏振片106、在线CCD成像系统125和光学元件固定装置相连;
所述激光防护模块,包括第一吸收池107、第二吸收池117、第三吸收池127、第四吸收池129,分别放置于偏振片106的透射光方向以及63°衍射光管道116、45°反射光管道126、23°透射光管道128的出口位置;
所述皮秒激光器101输出的激光依次经过能量调节器102、快门103和半波片104后,入射到所述第一单面增透膜105,经该第一单面增透膜105透射的透射光入射到所述偏振片106,该偏振片106由计算机112控制,实现上下移动或角度旋转;
所述能量调节器102用于改变光路中传输激光的能量大小,所述快门103用于控制光路中激光的通断,所述半波片104用于将光路中的激光转为垂直偏振激光,所述第一单面增透膜105小角度放置用于激光取样,所述可调偏振片106在56°~57.5°工作角度下消光比≥100:1,通过上下移动和旋转实现激光以70°、45°、23°的入射角度辐照于所述待测光学元件123;
所述的第二单面增透膜108和第一单面增透膜105互相平行放置,且所述的第一单面增透膜105和第二单面增透膜108的前表面未镀膜,后表面均镀增透膜;
经所述第一单面增透膜105反射的反射光入射到所述第二单面增透膜108,经该第二单面增透膜108透射的透射光入射到所述能量计110,经该第二单面增透膜108反射的发射光,经所述第一聚焦透镜109聚焦后,入射到光束质量分析仪111上;
所述第一聚焦透镜109、第二聚焦透镜114、第三聚焦透镜118、第四聚焦透镜121的透镜焦距一致。
请参阅图2,虚线为偏振片106和第一45°反射镜113的法线。当所述偏振片106的法线方向与入射激光逆时针夹角i1为-57.5°时,经该偏振片106反射的第一发射光依次经所述第一45°反射镜113、第二聚焦透镜114和70°入射光管道115辐照所述待测光学元件123表面,经该待测光学元件123衍射的衍射光通过所述63°衍射光管道116由第二吸收池117吸收。
请参阅图3,虚线为偏振片106和第二45°反射镜120的法线。当所述偏振片106的法线方向与入射激光顺时针夹角i2成56°时,经该偏振片106反射的第二发射光依次经所述第二45°反射镜120、第四聚焦透镜121和23°入射光管道122辐照所述测试光学元件123表面,经该待测光学元件透射的透射光通过所述23°透射光管道128由第四吸收池129吸收;
当所述偏振片106移出光路时,经所述第一单面增透膜105透射的透射光依次经所述第三聚焦透镜118和45°入射光管道119辐照所述待测光学元件123表面,经该待测光学元件123反射的反射光通过45°反射光管道126由第三吸收池127吸收。
2、利用所述皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤阈值测试装置进行皮秒激光损伤测试的方法,其特征在于,该方法包括下列步骤:
①计算机112按测试需求控制偏振片106选择三种状态中的一种:旋转到-57.5°、或56°或向上移出光路;
②计算机112控制皮秒激光器101以最优固定频率出光,将圆形真空腔体(124)抽真空;
③计算机112控制所述能量调节器102调节激光能量使得辐照所述待测光学元件123的初始激光能量密度不超过所述待测光学元件123的皮秒本征损伤阈值;
④计算机112设置光学元件固定装置的运动轨迹和水平方向的运动速度,使辐照在待测光学元件123的激光光斑在~1cm2的测试区域内按照峰值能量密度的90%重叠;
⑤计算机112控制所述快门103打开,同时控制所述能量计110和所述光束质量分仪111实时采集能量数据E和光斑数据A,获取当前测试的能量密度F=E×N/A,其中N分光比,等于同一时刻辐照于所述待测光学元件123的能量与所述能量计110采集能量的比值;
⑥计算机112控制在线CCD成像系统125实时诊断所述待测光学元件123损伤与否。
⑦当计算机112检测到所述待测光学元件123的运行到④中设置的运动轨迹的最后一个位置坐标时,则所述待测光学元件123停止运动,并关闭所述快门(103);
⑧计算机统计所述1cm2测试区域内出现的损伤点数D及其损伤点的位置坐标。若当前1cm2测试区域未出现损伤点,则进行⑨;若当前1cm2测试区域出现损伤点,则所述计算机112控制所述待测光学元件123按照记录的损伤点位置坐标依次定位到损伤点并控制所述快门103使得S个脉冲辐照定位的所述损伤点,同时所述在线CCD成像系统125进行实时诊断,若损伤点没有发生变化则判定损伤点稳定,否则判定损伤点不稳定,直到所有损伤点均完成S个脉冲辐照,再进行⑨。
⑨移动所述待测光学元件123至下一个测试区域,所述计算机112根据已测区域的损伤情况,调节所述能量调节器102从而降低或者提高辐照所述待测光学元件123的激光能量,重复④~⑧,直到所述待测光学元件123测试完成,所述在线CCD成像系统125停止诊断,关闭所述皮秒激光器101,所述圆形真空腔体124放气;
⑩画出损伤点数D随能量密度F变化的曲线,并给出所述待测光学元件123损伤点的稳定性情况。
请参阅图4。图4是每个~1cm2的方形测试区域在待测光学元件表面的示意位置。其中一个方形测试区域对应一个能量密度,方形测试区域内的圆形代表测试激光光斑的辐照位置。
请参阅图5。图5给出损伤点数随能量密度变化的曲线。图5中的空心三角形表示在8J/cm2多脉冲辐照中损伤点出现了变化,表现为不稳定;空心圆形表示皮秒激光光学元件的损伤阈值为3J/cm2。
Claims (6)
1.一种皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤阈值测试装置,其特征在于,包括:光学元件固定系统,损伤用皮秒激光系统,皮秒激光损伤监测系统和激光防护模块;
所述光学元件固定系统,包括圆形真空腔体(124)、位于该圆形真空腔体(124)内的光学元件固定装置以及控制该光学元件位置的二维调整机构,所述光学元件固定装置用于固定待测光学元件(123),使所述待测光学元件(123)的法线方向与水平方向顺时针成45°;在所述圆形真空腔体(124)上分别设有与待测光学元件(123)法线夹角成70°、63°、45°、23°的70°入射光管道(115)、63°衍射光管道(116)、45°入射光管道(119)、45°反射光管道(126)、23°入射光管道(122)、23°透射光管道(128);
所述损伤用皮秒激光系统,包括皮秒激光器(101)、能量调节器(102)、快门(103)、半波片(104),偏振片(106)、第一45°反射镜(113)、第二聚焦透镜(114)、第三聚焦透镜(118)、第二45°反射镜(120)和第四聚焦透镜(121);
所述皮秒激光损伤监测系统,包括计算机(112)、第一单面增透膜(105)、第二单面增透膜(108)、能量计(110)、第一聚焦透镜(109)、位于该第一聚焦透镜(109)焦点位置的光束质量分析仪(111)以及位于所述待测光学元件(123)的法线方向且与所述圆形真空腔体(124)相连的在线CCD成像系统(125),所述计算机(112)分别与所述能量调节器(102)、快门(103)、能量计(110)、光束质量分析仪(111)、偏振片(106)、在线CCD成像系统(125)和光学元件固定装置相连;
所述激光防护模块,包括第一吸收池(107)、第二吸收池(117)、第三吸收池(127)、第四吸收池(129);分别放置于偏振片(106)的透射光方向以及63°衍射光管道(116)、45°反射光管道(126)、23°透射光管道(128)的出口位置;
所述皮秒激光器(101)输出的激光依次经过能量调节器(102)、快门(103)和半波片(104)后,入射到所述第一单面增透膜(105),经该第一单面增透膜(105)透射的透射光入射到所述偏振片(106),该偏振片(106)由计算机(112)控制,实现上下移动或角度旋转;
当所述偏振片(106)的法线方向与入射激光逆时针夹角成-57.5°时,经该偏振片(106)反射的第一发射光依次经所述第一45°反射镜(113)、第二聚焦透镜(114)和70°入射光管道(115)辐照所述待测光学元件(123)表面,经该待测光学元件(123)衍射的衍射光通过所述63°衍射光管道(116)由第二吸收池(117)吸收;
当所述偏振片(106)的法线方向与入射激光夹顺时针角成56°时,经该偏振片(106)反射的第二发射光依次经所述第二45°反射镜(120)、第四聚焦透镜(121)和23°入射光管道(122)辐照所述测试光学元件(123)表面,经该待测光学元件(123)透射的透射光通过所述23°透射光管道(128)由第四吸收池(129)吸收;
当所述偏振片(106)移出光路时,经所述第一单面增透膜(105)透射的透射光依次经所述第三聚焦透镜(118)和45°入射光管道(119)辐照所述待测光学元件(123)表面,经该待测光学元件(123)反射的反射光通过45°反射光管道(126)由第三吸收池(127)吸收;
经所述第一单面增透膜(105)反射的反射光入射到所述第二单面增透膜(108),经该第二单面增透膜(108)透射的透射光入射到所述能量计(110),经该第二单面增透膜(108)反射的发射光,经所述第一聚焦透镜(109)聚焦后,入射到光束质量分析仪(111)上。
2.根据权利要求1所述的皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤阈值测试装置,其特征在于,所述的第一单面增透膜(105)和第二单面增透膜(108)互相平行放置,且所述的第一单面增透膜(105)和第二单面增透膜(108)的前表面未镀膜,后表面均镀增透膜。
3.根据权利要求1所述的皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤阈值测试,其特征在于,所述第一聚焦透镜(109)、第二聚焦透镜(114)、第三聚焦透镜(118)、第四聚焦透镜(121)的透镜焦距一致。
4.根据权利要求1-3任一所述的皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤测试装置,其特征在于,所述能量调节器(102)用于改变光路中传输激光的能量大小,所述快门(103)用于控制光路中激光的通断,所述半波片(104)用于将光路中的激光转为垂直偏振激光,所述第一单面增透膜(105)小角度放置用于激光取样。
5.根据权利要求1-3任一所述的皮秒激光光学元件的全角度真空激光损伤测试装置,其特征在于,所述偏振片(106)在56°~57.5°工作角度下消光比≥100:1,通过旋转和上下移动实现激光以70°、45°、23°的入射角度辐照于所述待测光学元件(123)。
6.利用权利要求1-5任一所述的皮秒激光光学元件的全角度真空损伤阈值测试装置进行皮秒激光损伤阈值测试的方法,其特征在于,该方法包括下列步骤:
①计算机(112)按测试需求控制偏振片(106)选择三种状态中的一种:旋转到-57.5°、或56°或向上移出光路;
②计算机(112)控制皮秒激光器(101)以最优固定频率出光,将圆形真空腔体(124)抽真空;
③计算机(112)控制所述能量调节器(102)调节激光能量使得辐照所述待测光学元件(123)的初始激光能量密度不超过所述待测光学元件(123)的皮秒本征损伤阈值;
④计算机(112)设置光学元件固定装置的运动轨迹和水平方向的运动速度,使辐照在待测光学元件(123)的激光光斑在~1cm2的测试区域内按照峰值能量密度的90%重叠;
⑤计算机(112)控制所述快门(103)打开,同时控制所述能量计(110)和所述光束质量分仪(111)实时采集能量数据E和光斑数据A,获取当前测试的能量密度F=E×N/A,其中N分光比,等于同一时刻辐照于所述待测光学元件(123)的能量与所述能量计(110)采集能量的比值;
⑥计算机(112)控制在线CCD成像系统(125)实时诊断所述待测光学元件(123)损伤与否;
⑦当计算机(112)检测到所述待测光学元件(123)的运行到④中设置的运动轨迹的最后一个位置坐标时,则所述待测光学元件(123)停止运动,并关闭所述快门(103);
⑧计算机(112)统计所述1cm2测试区域内出现的损伤点数D及其损伤点的位置坐标:若当前1cm2测试区域未出现损伤点,则进行⑨;若当前1cm2测试区域出现损伤点,则所述计算机(112)控制所述待测光学元件(123)按照记录的损伤点位置坐标依次定位到损伤点并控制所述快门(103)使得S个脉冲辐照所述定位的损伤点,同时所述在线CCD成像系统(125)进行实时诊断,若所述损伤点没有发生变化则判定损伤点稳定,否则判定所述损伤点不稳定,直到所述所有损伤点均完成S个脉冲辐照,再进行⑨;
⑨移动所述待测光学元件(123)至下一个测试区域,所述计算机(112)根据已测区域的损伤情况,调节所述能量调节器(102)从而降低或者提高辐照所述待测光学元件(123)的激光能量,重复④~⑧,直到所述待测光学元件(123)测试完成,所述在线CCD成像系统(125)停止诊断,关闭所述皮秒激光器(101),所述圆形真空腔体(124)放气;
⑩画出损伤点数D随能量密度F变化的曲线,并给出所述待测光学元件(123)损伤点的稳定性情况。
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