DE102022204081B4 - Device for direct laser interference structuring on surfaces of components - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur direkten Laserinterferenzstrukturierung an Oberflächen von Bauteilen, bei derist ein von einer Laserstrahlungsquelle emittierter Laserstrahl (1) auf ein den Laserstrahl (1) in mindestens zwei Teilstrahlen (1.1, 1.2) teilendes optisches Element (2, 13) gerichtet unddie Teilstrahlen (1.1, 1.2) treffen auf ein erstes reflektierendes optisches Element (3) so auf, dass sie durch eine Durchbrechung (4.1), die in einem zweiten reflektierenden optischen Element (4) ausgebildet ist, auf reflektierende Oberflächen eines rotierenden Polygons (5) auftreffen undvon dort die Teilstrahlen (1.1, 1.2) auf ein in einem Winkel größer 0° und kleiner 90° in Bezug zu deren optischen Achsen ausgerichtetes drittes reflektierendes optisches Element (6) durch die Durchbrechung (4.1) hindurch gerichtet sind, wobeidie Teilstrahlen (1.1, 1.2) vom dritten reflektierenden optischen Element (6) auf mindestens eine senkrecht in Bezug zur Rotationsachse (A) des rotierenden Polygons (5) konkav gekrümmte Oberfläche des zweiten reflektierenden optischen Elements (4) gerichtet sind und die Teilstrahlen (1.1, 1.2) auf mindestens eine reflektierende Oberfläche (7A, 7B), die in einem Winkel größer 0° und kleiner 90° in Bezug zu deren optischen Achsen ausgerichtetes viertes reflektierendes optisches Element (7) auftreffen und von dort so in Richtung auf die Oberfläche des jeweiligen Bauteils (10) gerichtet sind, dass sie im Bereich der Oberfläche des Bauteils (10) miteinander interferieren.Device for direct laser interference structuring on surfaces of components, in which a laser beam (1) emitted by a laser radiation source is directed onto an optical element (2, 13) which divides the laser beam (1) into at least two partial beams (1.1, 1.2) and the partial beams (1.1, 1.2) strike a first reflective optical element (3) in such a way that they strike reflective surfaces of a rotating polygon (5) through an opening (4.1) which is formed in a second reflective optical element (4) and from there the Partial beams (1.1, 1.2) are directed through the opening (4.1) to a third reflecting optical element (6) aligned at an angle greater than 0° and less than 90° in relation to their optical axes, the partial beams (1.1, 1.2) being directed from third reflective optical element (6) is directed at at least one concavely curved surface of the second reflective optical element (4) perpendicular to the axis of rotation (A) of the rotating polygon (5) and the partial beams (1.1, 1.2) are directed at at least one reflective surface (7A, 7B), which strike the fourth reflective optical element (7) aligned at an angle greater than 0° and less than 90° with respect to their optical axes and from there are directed towards the surface of the respective component (10), that they interfere with each other in the area of the surface of the component (10).
Description
Das Projekt, das zu diesem Antrag geführt hat, wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 825132 gefördert.The project that led to this application was funded by the European Union's Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No. 825132.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur direkten Laserinterferenzstrukturierung an Oberflächen von Bauteilen. Dabei können an oder in einer Oberfläche eines Bauteils großflächig Strukturelemente durch einen Materialabtrag ausgebildet oder eine lokal definierte Modifizierung des Bauteilmaterials erreicht werden, die einer Strukturierung entsprechen kann, indem z.B. eine lokal definierte Volumenvergrößerung, eine Veränderung des optischen Brechungsindex bzw. der Reflektivität für auftreffende elektromagnetische Strahlung erreicht werden kann.The invention relates to a device for direct laser interference structuring on surfaces of components. In this case, structural elements can be formed over a large area on or in a surface of a component by material removal or a locally defined modification of the component material can be achieved, which can correspond to structuring, for example by a locally defined increase in volume, a change in the optical refractive index or the reflectivity for incident electromagnetic radiation can be achieved.
Das Verfahren der direkten Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) hat sich in der Vergangenheit für einige Anwendungen bewährt. Es ist besonders für eine schnelle und großflächige Strukturierung an Oberflächen geeignet. Dazu sind verschiedenste optische Anordnungen bekannt. Für einige Anwendungen genügt die Produktivität immer noch nicht und es kann auch Defizite bei den realisierbaren Strukturperioden Λ, was deren Miniaturisierung betrifft, geben. In der Regel sind dazu auch großvolumige optische Anordnungen erforderlich, um entsprechend große Brennweiten und optische Wege zur Verfügung zu stellen, was wiederum die Einsatzmöglichkeiten einschränken kann.The direct laser interference structuring (DLIP) process has proven successful for some applications in the past. It is particularly suitable for quick and large-area structuring of surfaces. A wide variety of optical arrangements are known for this purpose. For some applications, productivity is still not sufficient and there may also be deficits in the feasible structural periods Λ with regard to their miniaturization. As a rule, large-volume optical arrangements are also required in order to provide correspondingly large focal lengths and optical paths, which in turn can limit the possible applications.
Von
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine großflächige Strukturierung an Oberflächen von Bauteilen anzugeben, die ein relativ geringes Volumen für den erforderlichen optischen Aufbau erfordern und sehr klein dimensionierte filigrane Strukturierungen ermöglichen, die man auch in kurzer Zeit ausbilden kann.It is therefore the object of the invention to provide options for large-area structuring on surfaces of components that require a relatively small volume for the required optical structure and enable very small, filigree structuring that can also be formed in a short time.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention, this object is achieved with a device which has the features of
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein von einer Laserstrahlungsquelle emittierter Laserstrahl auf ein den Laserstrahl in mindestens zwei Teilstrahlen teilendes optisches Element gerichtet. Die Teilstrahlen treffen dann auf ein erstes reflektierendes optisches Element so auf, dass sie durch eine Durchbrechung, die in einem zweiten reflektierenden optischen Element ausgebildet ist, auf reflektierende Oberflächen eines rotierenden Polygons auftreffen. Bekanntermaßen weisen optische Polygone an ihrer äußeren Oberfläche radial umlaufend mehrere reflektierende ebene und in der Regel planare Oberflächen auf, auf die bei Drehung des Polygons sukzessive elektromagnetische Strahlung, also im konkreten Fall die Teilstrahlen auftreffen und von dort je nach Auftreffwinkel auf eine weitere reflektierende Oberfläche reflektiert werden, da sich der Auftreffwinkel bei der Drehung des Polygons verändert, verändert sich auch der Winkel mit dem die Reflexion von dort erfolgt, so dass sich entsprechend auch der Auftreffwinkel auf im Strahlengang der Teilstrahlen nachfolgend angeordnete optische, insbesondere reflektierende Elemente und auch an der Oberfläche des jeweiligen Bauteils verändern lässt. Dadurch kann eine großflächige Strukturierung in kurzer Zeit erreicht werden.In the device according to the invention, a laser beam emitted by a laser radiation source is directed onto an optical element that divides the laser beam into at least two partial beams. The partial beams then impinge on a first reflective optical element in such a way that they impinge on reflective surfaces of a rotating polygon through an opening formed in a second reflective optical element. As is known, optical polygons have several reflective, flat and generally planar surfaces on their outer surface, which successively receive electromagnetic radiation, i.e. in this specific case the partial rays, as the polygon rotates and are reflected from there onto another reflective surface depending on the angle of impact Since the angle of incidence changes when the polygon is rotated, the angle at which the reflection from there also changes, so that the angle of incidence also changes accordingly on optical, in particular reflective, elements arranged subsequently in the beam path of the partial beams and also on the surface of the respective component can be changed. This means that large-area structuring can be achieved in a short time.
Von den reflektierenden Oberflächen des Polygons sind die Teilstrahlen auf ein in einem Winkel größer 0° und kleiner 90° in Bezug zu deren optischen Achsen ausgerichtetes drittes reflektierendes optisches Element durch die Durchbrechung, die im zweiten reflektierenden optischen Element ausgebildet ist, hindurch gerichtet, wobei die Teilstrahlen vom dritten reflektierenden optischen Element auf eine senkrecht in Bezug zur Rotationsachse A des rotierenden Polygons konkav gekrümmte und reflektierende Oberfläche des zweiten reflektierenden optischen Elements gerichtet sind.From the reflecting surfaces of the polygon, the partial beams are directed at a third reflective optical element aligned at an angle greater than 0° and less than 90° with respect to their optical axes through the opening formed in the second reflective optical element, whereby the Partial beams from the third reflective optical element are directed onto a concavely curved and reflective surface of the second reflective optical element perpendicular to the rotation axis A of the rotating polygon.
Die Teilstrahlen treffen im Strahlengang nachfolgend auf eine reflektierende Oberfläche, die in einem Winkel größer 0° und kleiner 90° in Bezug zu deren optischen Achsen ausgerichtetes viertes reflektierendes optisches Element auf. Von dort werden sie so in Richtung auf die Oberfläche des jeweiligen Bauteils gerichtet, dass sie im Bereich der Oberfläche des Bauteils miteinander interferieren. Die Ebene in der die Interferenz auftritt, kann mit der jeweiligen Oberfläche des Bauteils übereinstimmen. Diese Ebene kann aber auch in einem geringen Abstand über oder unter der jeweiligen Oberfläche durch entsprechende Fokussierung angeordnet werden.The partial beams subsequently hit a reflective surface in the beam path, which is aligned at an angle greater than 0° and less than 90° with respect to the fourth reflective optical element in relation to its optical axes. From there they are directed towards the surface of the respective component so that they interfere with one another in the area of the surface of the component. The plane in which the interference occurs can correspond to the respective surface of the component. However, this level can also be arranged at a small distance above or below the respective surface by appropriate focusing.
Dazu sollten im Strahlengang der Teilstrahlen auch weitere optische Elemente angeordnet sein, mit denen eine Strahlformung und Fokussierung erreicht werden kann. Dabei sind diese optischen Elemente bevorzugt zwischen dem strahlteilenden optischen Element und der ersten reflektierenden Oberfläche eines entsprechend ausgebildeten und angeordneten optischen Elements angeordnet, auf die die Teilstrahlen zuerst auftreffen.For this purpose, additional optical elements should also be arranged in the beam path of the partial beams, with which beam shaping and focusing can be achieved. These optical elements are preferably between the beam-splitting optical ones Element and the first reflecting surface of a correspondingly designed and arranged optical element, on which the partial beams strike first.
Dabei kann im Strahlengang der Teilstrahlen mindestens jeweils ein optisches Element angeordnet sein, mit denen eine Fokussierung in eine Achsrichtung und eine Fokussierung in eine senkrecht dazu ausgerichtete Achsrichtung erreicht werden kann.At least one optical element can be arranged in the beam path of the partial beams, with which focusing in one axial direction and focusing in an axial direction aligned perpendicular thereto can be achieved.
Die Teilstrahlen können dabei mittels eines fünften reflektierenden optischen Elements, das bevorzugt um mindestens eine Achse B drehbar oder in einem Winkel von 45° in Bezug zur optischen Achse der auftreffenden Teilstrahlen ausgerichtet ist, auf die reflektierende Oberfläche des ersten reflektierenden optischen Elements gerichtet werden, bevor sie auf das erste reflektierende optische Element auftreffen. So kann eine Umlenkung der Teilstrahlen und eine Verlängerung des von ihnen bis zum Auftreffen auf die Oberfläche des Bauteils erreicht werden.The partial beams can be directed onto the reflective surface of the first reflective optical element by means of a fifth reflective optical element, which is preferably rotatable about at least one axis B or aligned at an angle of 45° in relation to the optical axis of the incident partial beams they hit the first reflective optical element. In this way, the partial beams can be redirected and extended until they hit the surface of the component.
Die reflektierenden Oberflächen des ersten reflektierenden optischen Elements und des dritten reflektierenden optischen Elements sollten so ausgerichtet sein, dass die Teilstrahlen im Bereich des zweiten reflektierenden optischen Elements, in dem die Durchbrechung ausgebildet ist, durch die Durchbrechung hindurch geführt sind. Die von einer reflektierenden Oberfläche des zweiten optischen Elements umgebene Durchbrechung sollte eine rechteckige oder quadratische Außenkontur aufweisen, so dass die Teilstrahlen je nach Auftreffwinkel auf die reflektierenden Oberflächen des ersten optischen Elements und die reflektierenden Oberflächen des rotierenden Polygons ungehindert durch die Durchbrechung hindurch geführt sind.The reflecting surfaces of the first reflective optical element and the third reflective optical element should be aligned such that the partial beams are guided through the opening in the area of the second reflective optical element in which the opening is formed. The opening surrounded by a reflecting surface of the second optical element should have a rectangular or square outer contour so that the partial beams, depending on the angle of impact on the reflecting surfaces of the first optical element and the reflecting surfaces of the rotating polygon, are guided unhindered through the opening.
Im Strahlengang der Teilstrahlen sollten Strahlfallen angeordnet sein, auf die Teilstrahlen höherer Brechungsordnung auftreffen. Die Strahlfallen sollten mit einer Kühlung versehen sein und verhindern, dass Teilstrahlen höherer Ordnung ebenfalls auf weitere reflektierende Oberflächen oder die Oberfläche des Bauteils auftreffen können.Beam traps should be arranged in the beam path of the partial beams, onto which partial beams of higher refraction order impinge. The beam traps should be provided with cooling and prevent higher-order partial beams from also striking other reflective surfaces or the surface of the component.
Erstes reflektierendes optisches Element und drittes reflektierendes optisches Element sollten bevorzugt in einem Winkel zwischen 40° und 50° in Bezug zur optischen Achse der Teilstrahlen ausgerichtet sein.The first reflective optical element and the third reflective optical element should preferably be aligned at an angle between 40° and 50° in relation to the optical axis of the partial beams.
Die Teilstrahlen können zusätzlich mit mindestens einem fünften reflektierenden optischen Element auf die reflektierende Oberfläche des ersten reflektierenden optischen Elements gerichtet werden. Dabei können die Teilstrahlen von der reflektierenden Oberfläche des fünften reflektierenden optischen Elements auf die reflektierende Oberfläche des ersten reflektierenden optischen Elements auftreffen, so dass sie von dort auf eine reflektierende Oberfläche des rotierenden Polygons auftreffen und dort zurück in Richtung auf das dritte reflektierende optische Element reflektiert werden, um wiederum vom dritten reflektierenden optischen Element auf die in Bezug zur Rotationsachse A des Polygons konkav gekrümmte reflektierende Oberfläche des zweiten reflektierenden optischen Elements gerichtet zu werden, bevor die Teilstrahlen nach der Reflexion am zweiten reflektierenden optischen Element mit dem vierten reflektierenden optischen Element in Richtung auf die zu strukturierende Oberfläche des Bauteils umgelenkt werden. Dabei werden die Teilstrahlen so in Bezug zueinander ausgerichtet, dass sie im Bereich der zu strukturierenden Oberfläche des Bauteils miteinander interferieren, um die jeweilige Strukturierung ausbilden zu können.The partial beams can additionally be directed onto the reflective surface of the first reflective optical element using at least a fifth reflective optical element. The partial beams from the reflecting surface of the fifth reflecting optical element can impinge on the reflecting surface of the first reflecting optical element, so that from there they impinge on a reflecting surface of the rotating polygon and are reflected there back towards the third reflecting optical element , in order in turn to be directed from the third reflective optical element onto the reflecting surface of the second reflective optical element which is concavely curved in relation to the rotation axis A of the polygon, before the partial beams, after reflection on the second reflective optical element, are directed towards the fourth reflective optical element the surface of the component to be structured can be redirected. The partial beams are aligned in relation to one another in such a way that they interfere with one another in the area of the surface of the component to be structured in order to be able to form the respective structuring.
Ein fünftes reflektierendes optisches Element kann vorteilhaft um mindestens eine Rotationsachse B verschwenkt werden, um den Laserstrahl weiter in seiner Winkeleinrichtung beeinflussen zu können. Bei einer Rotationsmöglichkeit um zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Rotationsachsen, kann ebenso als wie wenn zwei fünfte reflektierende optische Elemente eingesetzt werden, bei denen ein zweites fünftes reflektierendes optisches Element um eine Achse, die um 90 ° in Bezug zur Achse B ausgerichtet ist, verschwenkt werden kann, kann eine zweidimensionale Auslenkung des Laserstrahls erreicht werden.A fifth reflecting optical element can advantageously be pivoted about at least one axis of rotation B in order to be able to further influence the laser beam in its angular arrangement. If there is a possibility of rotation about two axes of rotation aligned perpendicular to one another, it is also possible to use two fifth reflective optical elements, in which a second fifth reflective optical element can be pivoted about an axis that is oriented at 90 ° in relation to axis B , a two-dimensional deflection of the laser beam can be achieved.
Ein viertes reflektierendes optisches Element kann zwei reflektierende Oberflächen aufweisen, mit denen eine Reflexion der Teilstrahlen in verschiedenen Achsrichtungen erreichbar ist.A fourth reflective optical element can have two reflective surfaces with which reflection of the partial beams in different axial directions can be achieved.
Für eine großflächige Strukturierung kann eine bevorzugt translatorische Relativbewegung von Bauteil und Vorrichtung vorgenommen werden. Besonders bevorzugt wird lediglich das Bauteil bewegt.For large-area structuring, a preferably translational relative movement of the component and device can be carried out. Particularly preferably, only the component is moved.
Vorteilhaft können das erste reflektierende optische Element und das zweite reflektierende optische Element eine F-Theta-Optik bilden.Advantageously, the first reflective optical element and the second reflective optical element can form F-theta optics.
Die Teilstrahlen können in günstiger Weise in einem Winkel α zwischen den beiden Teilstrahlen, der kleiner 20°, bevorzugt kleiner 15° und besonders bevorzugt kleiner 10° ist, in Richtung auf die Oberfläche des Bauteils gerichtet sein. Die Teilstrahlen sollten auf ihrem Weg zwischen dem strahlteilenden optischen Element und der zu strukturierenden Oberfläche des Bauteils einen Weg von mindestens 500 mm, bevorzugt mindestens 600 mm zurücklegen. Dies kann durch mehrfache Reflexion in unterschiedliche und dabei auch in entgegengesetzte Richtungen erreicht werden, so dass das gesamte Volumen, das für den optischen Aufbau erforderlich ist, klein gehalten werden kann und alle optischen Elemente auf kleinem Raum in einem Gehäuse untergebracht werden können.The partial beams can advantageously be directed towards the surface of the component at an angle α between the two partial beams, which is less than 20°, preferably less than 15° and particularly preferably less than 10°. The partial beams should cover a path of at least 500 mm, preferably at least 600 mm, on their path between the beam-splitting optical element and the surface of the component to be structured. This can be done by multiple reflections in below different and also in opposite directions, so that the entire volume required for the optical structure can be kept small and all optical elements can be accommodated in a small space in one housing.
Vorteilhaft können die Teilstrahlen, die von reflektierenden Oberflächen des rotierenden Polygons auf das dritte reflektierende optische Element auftreffen, auf eine konvex gekrümmte Oberfläche auftreffen, deren reflektierende Oberfläche rotationssymmetrisch ist. Dabei sind die optischen Achsen der konvex und konkav gekrümmten reflektierenden optischen Elemente koaxial zueinander ausgerichtet.Advantageously, the partial beams that impinge on the third reflecting optical element from reflecting surfaces of the rotating polygon can impinge on a convexly curved surface whose reflecting surface is rotationally symmetrical. The optical axes of the convexly and concavely curved reflective optical elements are aligned coaxially with one another.
Mit der Erfindung lassen sich Strukturperioden Λ kleiner 20 µm, bevorzugt kleiner 15 µm und besonders bevorzugt kleiner 10 µm realisieren.With the invention, structure periods Λ of less than 20 μm, preferably less than 15 μm and particularly preferably less than 10 μm can be achieved.
Reflektierende Oberflächen optischer Elemente können mit einem auf die Wellenlänge der Laserstrahlung der Teilstrahlen abgestimmten Interferenzschichtsystem beschichtet sein.Reflecting surfaces of optical elements can be coated with an interference layer system tailored to the wavelength of the laser radiation of the partial beams.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below by way of example.
Dabei zeigen:
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1 in schematischer Form ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und -
2 ein weiteres Beispiel in einer anderen perspektivischen Darstellung.
-
1 in schematic form an example of a device according to the invention and -
2 another example in a different perspective view.
Bei dem in
Die zwei fünften reflektierenden optischen Elemente 9A und 9B sind jeweils um eine Rotationsachse verschwenkbar, wobei eine Rotationsachse die Rotationsachse B und die andere Rotationsachse in einem Winkel von 90° dazu ausgerichtet ist.The two fifth reflective
Von dort werden die Teilstrahlen in Richtung auf eine reflektierende Oberfläche des ersten reflektierenden optischen Elements 3 gerichtet. Mit dem/den fünften reflektierenden Elemente(n) 9, 9A und 9B kann man den Auftreffort und somit auch den Auftreffwinkel mit dem die Teilstrahlen 1.1 und 1.2 auf die reflektierende Oberfläche des ersten reflektierenden optischen Elements 3 verändern, was sich nachfolgend auch auf die weitere Strahlführung der beiden Teilstrahlen 1.1 und 1.2 auswirkt.From there, the partial beams are directed towards a reflective surface of the first reflective
Die von der Oberfläche des ersten reflektierenden optischen Elements 3 reflektierten Teilstrahlen 1.1 und 1.2 werden dann in Richtung des Polygons 5 so reflektiert, dass sie auf eine der rotierenden reflektierenden Oberflächen des Polygons 5 auftreffen. In der Darstellung sind nur zwei dieser reflektierenden Oberflächen des Polygons 5 gezeigt. Das Polygon 5 rotiert dabei um seine Rotationsachse A.The partial beams 1.1 and 1.2 reflected from the surface of the first reflective
Die Teilstrahlen 1.1 und 1.2 gelangen auf ihrem Weg in ihrem Strahlengang durch die Durchbrechung 4.1, die im zweiten reflektierenden optischen Element 4 mit einer konkaven Oberfläche ausgebildet ist, und treffen auf die reflektierenden Oberflächen des Polygons 5 auf und werden von dort auf eine reflektierende konvexe Oberfläche des dritten reflektierenden optischen Elements 6 auf, um auf die reflektierende Oberfläche des zweiten reflektierenden optischen Elements 4 aufzutreffen und von dort auf reflektierende Oberflächen des vierten reflektierenden optischen Elements 7A und 7B aufzutreffen. Mit den reflektierenden Oberflächen 7A und 7B wird ein Teilstrahl 1.1 mit einem Winkel von 86° und der andere Teilstrahl 1.2 mit einem Winkel von 94° in Richtung auf die Oberfläche des Bauteils 10 gerichtet, so dass sich ein Wert α von 8° ergibt.On their way in their beam path, the partial beams 1.1 and 1.2 pass through the opening 4.1, which is formed with a concave surface in the second reflective
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-
2022
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (2)
Title |
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RAENKE, F. [et al.]: High throughput laser surface micro-structuring of polystyrene by combining direct laser interference patterning with polygon scanner technology. In: Materials Letters: X, Vol. 14, 2022, S. 100144. – ISSN 2590-1508 |
Raenke, F. u.a. sind in „High througput laser surface micro-structuring of polysterene by combining direct laser interference pattering with polygon scanner technology"; Materials Letters: X; Vol. 14, 2022, S. 100144 |
Also Published As
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