DE2456913A1

DE2456913A1 - Farbstoff-laser

Info

Publication number: DE2456913A1
Application number: DE19742456913
Authority: DE
Inventors: Gunnar Wang
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1973-12-03
Filing date: 1974-12-02
Publication date: 1975-06-05
Also published as: US3890578A; FR2253295A1; JPS5090296A

Description

Farbstoff-Laser

Die Erfindung betrifft einen Farbstoff-Laser. Farbstoff-Lasern ist auf dem Gebiet der Laser-Technik wegen ihrer einzigartigen Fähigkeit bemerkenswerte Beachtung geschenkt worden, innerhalb eines beträchtlichen Teiles des Fluoreszenzbandes des Farbstoffes auf irgendeine Wellenlänge spektral abgestimmt oder eingestellt werden" zu können. Es ist eine große Zahl von Laserfarbstoffen mit Fluoreszenzbändern verfügbar, welche den Spektralbereich von 35Onm bis 1200 nm erfassen. Der Farbstoff-Laser hat daher deshalb weltweit Anklang gefunden, weil er der erste wirklich abstimmbare Laser ist, der in der Lage ist,im ganzen optischen Spektrum zu arbeiten.

Die Laserwirkung wird dadurch erreicht, daß jene Laserfarbstoffe mit Licht im Absorptionsband der Farbstoffe angeregt werden. Das Absorptionsband von Laserfarbstoffen schwankt zwischen 340 nm bis 1000 nm. Die wirkungsvollsten Laserfarbstoffe absorbieren und emittieren jedoch Strahlung im sichtbaren Bereich des Spektrums, d.h. im Bereich von 400nm bis 700nm. In jüngster Zeit hat die Halbleitertechnik eine kompakte Laseranordnung geschaffen, die als Diodenlaser bekannt ist. Ein Diodenlaser ist eine Festkörper-Halbleiter-Anordnung mit zwei Zonen zweier entgegengesetzter Arten von elektrischer Leitfähigkeit, welche längs einer p-n-übergangsebene zusammenhängen. Wenn der p-n-übergang in geeigneter Weise bei einer Stromdichte der injizierten Ladungsträger, welche zum Ausgleich der Verluste in der Umgebung des Festkörpers ausreicht, in Vorwärtsrichtung betrieben wird, geschieht infolge des Freiwerdens von Energie bei der Kombination der Ladungsträger die erzwungene Emission von Strahlung. Das durch erzwungene Emission erzeugte Licht breitet sich in viele verschiedene Richtungen aus. Dank der Geometrie des Überganges jedoch werden diejenigen Lichtwellen, welche sich parallel zur Ebene des Übergangs ausbreiten, bevorzugt, so daß infolgedessen von den Stirnflächen des Übergangs eine hochgradig gerichtete Strahlung emittiert wird.

Im Handel erhältliche GaAlAs- und GaAs-Diodenlaser strahlen im infraroten Bereich des Spektrums oder genauer gesagt zwischen ungefähr 77Onm und 900nm. Andere bekannte Diodenlaser strahlen

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im Spektralbereich von ungefähr 58Onm bis über 1200 nm hinaus.

Mit der Erfindung wird mittels eines organischen fluoreszierenden Farbstoffes eine Laserwirkung erzielt, wobei ein Diodenlaser als Anregungsquelle benutzt wird. Dieser Erfolg öffnet die Tür für eine neue Klasse von kompakten Lasersystemen mit einer Emission in einem breiten Spektralbereich und mit der Möglichkeit der Abstimmung auf bestimmte Wellenlängen.

Erfindungsgemäß wird der Ausgangsstrahl eines Diodenlasers auf die Achse eines optischen Hohlraumresonators fokussiert, der mit einem gelösten Laserfarbstoff enthaltenden Lösungsmittel gefüllt ist. Der Ausgangsstrahl des Diodenlasers, dessen Wellenlänge innerhalb des Absorptionsbandes des Laserfarbstoffes liegt, wird auf die Farbstofflösung konzentriert, so daß eine Leistungsdichte entsteht, die ausreicht, um die notwendige Zahl von angeregten Farbstoffmolekülen zu erreichen und um dadurch die Laserwirkung zu erzielen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Farbstofflasers weist der optische Hohlraumresonator einen Hohlleiter auf, der für die totale innere Reflektion von Strahlen sorgt, die unter dem kritischen Winkel oder meinem größeren Winkel auf seine innere Wand einfallen. Die Möglichkeit des Abstimmens des Resonators wird dadurch geschaffen, daß die Länge des Resonators vergrößert wird, so daß ein Abstimmelement einbezogen werden kann.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Farbstofflasers sind mehrere Anregungsquellen für den Farbstofflaser in einer geraden Reihe angeordnet, welche auf aufeinanderfolgende Abschnitte der Achse des Resonators fokussiert oder radial um die Achse des Resonators angeordnet sind, um die Ausgangsleistung des Farbstofflasers zu erhöhen.

Bei dem erfolgreichen Bemühen um eine Laserwirkung, die von einem organischen fluoreszierenden Farbstoff ausgeht, wobei als Anregungsquelle ein Diodenlaser verwendet wird, war eine Vielzahl von Problemen zu überwinden.

Laserfarbstoffe haben eine kurze Dauer des angeregten Zustandes und müssen daher mit Licht von hoher Leistungsdichte angeregt werden. Die bisher erhältlichen Diodenlaser zeichnen sich jedoch

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dadurch aus, daß sie eine geringe Leistung aufweisen und einen Ausgangsstrahl erzeugen, der im Querschnitt linienförmig ist, d.h. eine Quer Schnitts länge hat, die mindestens zwanzig mal so groß ist wie die Querschnittsbreite, der in der Praxis nur schwer auf einen Punkt zu fokussieren ist und der eine hohe Divergenz zeigt. Der Gebrauch eines Hohlraumresonators jedoch, auf den der im Querschnitt linienförmige Strahl des Diodenlasers fokussiert wird, erzeugt die notwendige Leistungsdichte für die Laseremission.

Wie zuvor erwähnt, absorbieren und emittieren die wirkungsvollsten der bekannten Laserfarbstoffe Licht im.sichtbaren Bereich des optischen Spektrums, während die Strahlung der wirkungsvollsten bekannten Diodenlaser in den infraroten Bereich des optischen Spektrums fällt. Es sind Versuche unternommen worden. Laserfarbstoffe zu finden, die im infraroten Bereich .des Spektrums, d.h. von 700nm bis l35Onm_ysehr wirkungsvolle Absorber sind.

In jüngster Zeit haben Webb und Plourde in einer für das Night Vision Laboratory US Army Electronics Command, Fort Belvoir, Virginia, USA, angefertigten Studie von Infrarotlaserfarbstoffen berichtet, die in jenem Bereich wirkungsvoller sind als bisher bekannte Laserfarbstoffe. Diese Laserfarbstoffe haben sich jedoch als instabil erwiesen, wenn sie Raumlicht ausgesetzt sind. Wenn sie dem Licht der gewöhnlichen Anregungsquelle für Farbstoff-Laser, nämlich einer Blitzlampe ausgesetzt werden, erfordern diese instabilen Laserfarbstoffe ein sperriges

-lösung Zirkulationssystem für die Farbstoff/, ein großes Volumen der Farbstofflösung und eine häufige Reinigung, falls kleine Hohlraumresonatoren benutzt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Farbstoff-Lasers verhindert jene Instabilität nicht das Aussenden laserkorrelierter Wellen,bis davon ein praktisch ausreichender Gebrauch gemacht worden ist, falls diese Farbstoffe wie in dem erfindungsgemäßen Farbstoff-Laser dem anregenden Licht eines Diodenlasers ausgesetzt werden. Tatsächlich wurden

lösung

ohne Zirkulation der Farbstoff/ durch einen optischen Hohlleiter bis zu 60 Betriebsstunden erreicht.

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Im folgenden ist die Erfindung anhand mehrerer durch die Zeichnung beispielhaft dargestellter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Farbstoff-Lasers im einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 2 eine teilweise schematisch dargestellte vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teiles der Ausführungsform gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein Absorptionsquerschnitt-Wellenlängen-Diagramm für einen bestimmten Farbstoff;

Fig. 4 ein Farbstofflaserleistung-Anregungsleistung-Diagramm mit der Farbstoffkonzentration als Parameter;

Fig. 5 eine schematisch dargestellte perspektivische Ansicht eines Teiles einer anderen Ausführungsform und

Fig. 6a und 6b schematische Darstellungen von abstimmbaren Resonatoren zweier weiterer Ausführungsformen.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 weist der erfindungsgemäße Farbstoff-Laser 10 einen Diodenlaser 28 als halbleitende Anregungsquelle und einen optischen Hohlraumresonator 12 auf, der eine Laser-Farbstofflösung 11 enthält. Der Resonator besteht aus einem Hohlleiter 15 mit zwei ebenen Spiegeln 18, die an den Enden des Hohlleiters senkrecht zu der aus Fig. ersichtlichen Achse 32 des Hohlleiters 15 angeordnet sind.

Die Einzelheiten des Hohlleiters 15 sind am besten aus Fig. 2 ersichtlich. Dieser besteht aus einer planparallelen Platte 16 aus geschmolzenem Quarz, die zwei planparallele Flächen 17 aufweist und ein Loch 14 als Hohlraum enthält, das sich annähernd senkrecht zu den parallelen Flächen 17 erstreckt. Zur Bildung des Hohlleiters 15 ist in das Loch 14 ein Kapillarröhrchen aus geschmolzenem Quarz eingeklebt, das eine Bohrung 23 von geeignetem Durchmesser und geeigneter Länge aufweist. Die beiden planparallelen Flächen 17 und die teilweise von der Platte 16 und teilweise von dem Kapillarröhrchen

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gebildete Fläche 19 sind in optischer Qualität poliert. Das Paar der beiden Spiegel 18 ist durch Aufdampfen einer dielektrischen Spiegelschicht, welche innerhalb des Fluoreszenzbandes der Farbstofflösung 11 das geeignete Reflexionsvermögen aufweist, auf zwei bis zu optischer Qualität polierte Substrate 21 hergestellt. Damit die im Resonator 12 hervorgerufenen Färbstofflaseremissionen auch genutzt werden können, läßt mindestens einer der beiden Spiegel 18 einen Teil der Strahlung innerhalb des Fluoreszenzbandes der Farbstofflösung durch. Damit die Bohrung 23 des KapiHarröhrchens mit der Farbstofflösung 11 gefüllt werden und die Farbstofflösung durch diese Bohrung zirkulieren kann, ist zwischen den Enden des Hohlleiters 15 und den Spiegeln 18 dadurch ein Abstand von 6#m hergestellt, daß auf jeden Spiegel 18 eine Schicht 20 aus Siliziumoxid oder einem anderen Zwischenmaterial aufgebracht ist, wobei, wie Fig. 2 zeigt, jeweils ein Fenster 22 freigelassen worden ist. Da die optischen Verluste mit zunehmendem Abstand zwischen dem Hohlleiter 15 und den Spiegeln 18 anwachsen, ist der Abstand von 6/fln gewählt worden, denn dieser ist groß genug, um den Durchfluß der Farbstofflösung 11 durch die Bohrung 23 des Kapillarröhr chens zu ermöglichen und doch klein genug, um die optischen Verluste auf einem Minimum zu halten.

Die planparallele Platte 16 ist mit Hilfe einer nicht dargestellten mechanischen Vorrichtung zwischen die beiden Spiegelsubstrate 21 eingepreßt, so daß die ebenen Flächen der Spiegel 18 senkrecht auf der Achse 32 des Hohlleiters 15 stehen. Eine Abdichtung der Platte 16 gegen die Spiegel 18 ist nicht erforderlich.

Der Hohlleiter 15 wird durch eine Zuleitung 24 und eine Ableitung 26, die mit den an den beiden Enden des Hohlleiters angeordneten Fenstern 22 verbunden sind, mit der Farbstofflösung 11 versorgt. Die Zirkulation der Farbstofflösung 11 kann, wenn gewünscht, durch den Anschluß der Zuleitung 24 und der Ableitung 26 an eine nicht dargestellte Pumpe herbeigeführt werden. Der Diodenlaser 28 emittiert einen linienförmigen Anregungsstrahl 30, der von einer linienförmigen Abstrahlfläche 29 ausgeht. Der Anregungsstrahl 30 ist durch ein Linsensystem 34, bestehend aus zwei Mikroskopobjektiven 36 mit einer nume-

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rischen Appertur NA = 0,5, auf die Achse 32 der Bohrung 23 des Kapillarröhrchens linienhaft fokussiert. Diese Anordnung erlaubt es,nahezu das gesamte vom Diodenlaser 28 ausgestrahlte Licht zu sammeln. Die Verstärkung des Linsensystems 34 beträgt Eins. Die Anordnung des Diodenlasers 28 ist so getroffen, daß der Anregungsstrahl 30 von der Farbstofflösung mit einer Leistungsdichte absorbiert wird, die ausreicht, um eine kritische Populationsinversion herbeizuführen. Eine saubere Ausrichtung wird dadurch erzielt, daß der Diodenlaser 28 um die Achse des Anregungsstrahles 30 gedreht wird, bis ein maximaler Anteil der Farbstofflösung 11 fluoresziert. Die Fluoreszenz des Farbstoffes wird in transversaler Richtung mit Hilfe eines Infrarotsuchers 38 beobachtet, der aus einem Objektiv 64, einer Bildwandlerröhre 65 und einem Okular 66 besteht. In gleicher Weise läßt sich die Fluoreszenz in longitudinaler^vom Ende des Hohlleiters 15 ausgehender Richtung mit Hilfe eines zweiten Infrarotmikroskopes 40 beobachten, das ebenfalls aus einem Mikroskopobjektiv 62^ einer Bildwandlerröhre 68 und einem Okular 69 besteht. Die Beobachtung der Intensität dieser Fluoreszenz wird dazu benutzt, die beste Anordnung des Hohlraumresonators 12 zu bestimmen. Der Beginn des Aussendens laserkorrelierter Wellen wird durch die Erscheinung eines Wellenmusters angezeigt, das durch das Infrarotmikroskop 40 sichtbar ist und dessen Größe zunimmt, wenn das Mikroskop 40 zurückgezogen wird, während seine Form konstant bleibt.

Wie bei anderen Lasern werden während der ersten Stufe der Tätigkeit des Lasers die Farbstoffmoleküle der Laser-Farbstofflösung 11 aus dem elektronischen Grundzustand in den ersten angeregten Singlet-Zustand versetzt, der sich durch besetzte Schwingungs- und Rotationsenergieniveaus auszeichnet, in dem die von dem als Anregungsquelle dienenden halbleitenden Diodenlaser 28 ausgehende Strahlung absorbiert wird. Die zweite Stufe der Tätigkeit des Lasers wird erreicht, wenn die sich im angeregten Singlet-Zustand befindenden Moleküle in den Grundzustand zurückkehren. Dieser übergang umfaßt sowohl Strahlungsübergänge, bei denen Photonen emittiert werden, als auch strahlungslose übergänge, bei denen Wärmeenergie freigesetzt wird. Das dank der spontanen Emission von im angeregten Singlet-Zustand befind-

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lichen Farbstoffmolekülen auftretende Licht wird in alle Richtungen gestrahlt. Das entlang der Achse 32 des Resonators 12 ausgesandte Licht wird von dessen Wänden zu den an seinen beiden Enden angeordneten Spiegeln 18 geleitet und von diesen durch Reflektion durch den Resonator zurückgeleitet. Das zwischen den Spiegeln 18 hin und her wandernde Licht wird infolge von Verlusten geschwächt, die auf die Durchlässigkeit der Spiegeljauf Streuung in der Farbstofflösung und auf ünvollkommenheiten im Aufbau des Lasers zurückzuführen sind. Eine weitere Verlustquelle ist die Lichtabsorption durch die im Grundzustand befindlichen Farbstoffmoleküle. Bevor also Laserschwingungen einsetzen können, muß die Zahl der sich im angeregten Singlet-Zustand befindenden Farbmoleküle, welche die Strahlung durch erzwungene Emission verstärken, einen gewissen Wert annehmen, der allgemein als "kritische Populationsinversion" bezeichnet wird. Wenn eine solche besteht, erreicht die Verstärkung der sich zwischen den Spiegeln 18 ausbreitenden Strahlung bei einmaligem Durchgang wenigstens die Höhe der Verluste des ganzen Lasersystems. Damit diese Verluste vermieden werden, ist dafür gesorgt, daß der Hohlleiter 15 Strahlen einer totalen inneren Reflektion unterwirft, welche unter dem kritischen Winkel oder einem größeren Winkel einfallen. Infolge der totalen inneren Reflektion kehrt die reflektierte Strahlung in den Farbstoff zurück, entweicht also nicht, so daß der Resonator 12 nur geringe optische Verluste hat.

Ein optischer Hohlleiter mit totaler innerer Reflektion verschafft dem erfindungsgemäßen Laser folgende Vorteile. Erstens kann die Länge der Bohrung 23 des Kapillarröhrchens so bemessen werden, daß sie der Länge des Diodenlasers 28 entspricht, während der Bohrungsdurchmesser unabhängig davon so gewählt v/erden kann, daß die gewünschte durchschnittliche Anregungsleistungsdichte erreicht wird. Die Breite der lichtemifctierenden Abstrahlfläche im Handel erhältlicher Diodenlaser beträgt typischerweise 2/im, während ihre Länge zwischen ungefähr 0,1mm und lmm schwankt. Zweitens haben die Resonatorschwingungen bei totaler innerer Reflektion des Laserlichtes innerhalb der mit Farbstofflösung gefüllten Bohrung 23 des Kapillarröhrchens den notwendigen geringen Verlust trotz möglicher Fehler bei

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der Spiegelausrichtung und durch thermische Gradienten in der Lösung verursachter optischer Inhomogenitäten. Und drittens läßt sich ein Hohlleiter leicht in kurzen Längen herstellen, um sich dadurch der Länge der Abstrahlfläche 29 des Diodenlasers 28 anzupassen. Wenn kurze Anregungsimpulse des Diodenlasers 28 beispielsweise im Bereich um 5nsec benutzt-werden sollen, um entsprechend kurze Laserimpulse zu erreichen, ist ein kurzer Resonator wünschenswert, der die Bemühungen um eine kurze Entstehungszeit der Laserimpulse unterstützt. Der Farbstoff kann aus einer großen Vielzahl von Laserfarbstoffen ausgewählt werden, die ein Absorptionsband aufweisen, das den Wellenlängenbereich des Diodenlasers 28 enthält. Repräsentative brauchbare Farbstoffe sind zum Beispiel jene, die in der Zeitschrift Research Disclosure 113 (1973) unter den Positionen 11 308 und 11 311 genannt sind, also Cyanin-Farbstoffe mit Brückenbindung und andere Cyanin-Farbstoffe für den Infrarotbereich. Ein besonders gut brauchbarer Farbstoff ist der infrarotes Licht absorbierende Farbstoff 5,5'-Dichlor-lldiphenylamino-3,3^t-diäthyl-10,12-äthylenthiatricarbocyan.inperchlorat. Der fluoreszierende Farbstoff ist in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst. Was das Lösungsmittel als solches anbetrifft, so enthält es vorteilhafter Weise ein Lösungsmittel oder besteht es aus einem Lösungsmittel, das die für den Laser wichtigen Eigenschaften des Farbstoffes nicht nachteilig beeinflußt und dessen Brechungsindex höher ist als jener desjenigen Materials, das die Innenfläche des Hohlleiters 15 bildet. Wenn das Lösungsmittel einen höheren Brechungsindex hat als das Material des Hohlleiters, zeigt dieser bei Strahlen, die innerlich unter dem kritischen Winkel oder einem größeren Winkel einfallen,totale innere Reflektion. Besonders nützliche Lösungsmittel sind Tetramethylensulfoxid (TMSO) und Dimethylsulfoxid (DMSO). Der Brechungsindex für TMSO ist N_Q = 1,520 (20°C). Der Brechungsindex von DMSO ist hingegen N_Q = 1,478 (20°C). Der Brechungsindex des geschmolzenen Quarzes des Hohlleiters 15 ist N_D = 1,458 °

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Der Absorptionsquerschnitt.des zuvor erwähnten/TMSO gelösten.

-es
Cyanin-Farbstoff/ist in seiner funktionalen Abhängigkeit von der Wellenlänge in Fig. 3 dargestellt. Die Linie im rechten Teil des Diagrammes zeigt den Absorptionsquerschnitt des Farbstoffes bei 500-facher Vergrößerung. Die Spitzenabsorption dieser Farbstofflösung liegt bei einer Wellenlänge von ungefähr 825nm. Diese Spitzenabsorption liegt dicht bei der Wellenlänge 82Onm eines Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs)-Diodenlasers.

Die Erfindung wird weiter durch das folgende Beispiel erläutert:

Beispiel 1

Der Diodenlaser 10 wurde wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt aufgebaut. Die planparallelen Flächen 17 der Platte 16 wurden vermessen, wobei sich eine Parallelität innerhalb eines Winkels von 0,5mrad ergab. Der Winkel zwischen der Achse der Bohrung 23 des Kapillarröhrchens und der Normalen der planparallelen Flächen 17 schwankte zwischen lOmrad und 30mrad, je nach Ausgestaltung der Platte 16. Die Bohrung 23 hatte einen Durchmesser von 30/can und eine Länge von lmm..

Der Diodenlaser 28 war ein von den Laser Diode Laboratories, Inc. hergestellter GaAlAs-Laser mit HeteroStruktur vom Typ LA69. Der Diodenlaser 28 wurde mit einer Geschwindigkeit von 200Hz gepulst und bei Raumtemperatur betrieben. Die resultierende Wellenlänge des Diodenlasers 28 war 82Onm bei einer Spitzenausgangsleistung von annähernd 200W. Die Halbwertsbreite der Lichtimpulse betrug typischerweise 60nsec. Die Länge der Abstrahlfläche des Diodenstrahls betrug 0,6mm, also annähernd 60% der Länge der Bohrung 23 des Kapillarröhrchens, während die Strahlbreite ungefähr 2wm betrug.

Die Aussendung Laserkorrelierter Wellen wurde an dem in TMSO gelösten Laserfarbstoff S^

diäthyl-lO,12-äthylenthiatricarbocyaninperchlorat bei Farbstoff-

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konzentrationen von 1,0 χ 10 , 1,2 χ 10 , 1,4 χ 10 , 1,6 χ 10 und 2,0 χ 10 mol/1 beobachtet. In Fig. 4 ist die Ausgangsleistung des Lasers 10 bei den verschiedenen^ eben genannten Farbstoffkonzentrationen als Funktion der Leistung des von dem GaAlAs-Diodenlaser 28 ausgehenden Anregungsstrahles 30 in einer Kurve gezeigt.

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Wie zuvor erwähnt, ändert sich die Ausgangsleistung des Lasers IO mit der Anordnung des Hohlleiters 15 im Brennort des Anregungsstrahles 30. Für jede Farbstoffkonzentration wurden mehrere Meßreihen durchgeführt, wobei zwischen jeder Meßreihe die Lage des "Hohlleiters 15 neu eingestellt wurde. Die Meßreihen ergaben etwas verschiedene Ergebnisse. Bei 9W Anregungsleistung betrug die maximale Abweichung von der durchschnittlichen Ausgangsleistung 10-15%. Die in Fig. 4 dargestellten Ergebnisse zeigen die höchste Ausgangsleistung, die für jede Farbstoffkonzentration erreicht wurde. In den aus Fig. 4 ersichtlichen Beispielen verschob sich die Spitzenausgangsleistung des Laserstrahls mit zunehmender Farbstoffkonzentration von kleineren zu größeren Wellenlängen. Dies ist typisch für unabgestimmte Farbstofflaser. Beim Einsatz eines Monochromators mit einem Auflösungsvermögen von 2nm wurde die Wellenlänge,bei der die Spitzenausgangsleistung beobachtet wurde, zu 955nm und 995nm bei Farbstoffkonzentrationen von

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1,0 x 10 bzw. 2,0 χ 10 v.mol/1 bestimmt. Für die Farbstoffkonzentration, welche die höchste Ausgangsleistung ergibt, nämlich 1,4 χ 10 mol/1.wurden als zugehörige Wellenlänge 985nm gemessen. Die Bandbreite der Laserstrahlung nahm mit zunehmender Farbstoffkonzentration von 20nm auf 40nm zu. Die Durchlässigkeit der Spiegel 18, deren dielektrische Schicht mit dem TMSO-Lösungsmittel in Berührung standjbetrug 4% bei S50nm und nähme auf 7,5% bei lOOOnm zu.

Aus Fig. 4 ist ferner ersichtlich, daß der Schwellwert der Anregungsenergie für die Aussendung laserkorrelierter Wellen ungefähr 2,8W beträgt, wenn eine Farbstoffkonzentration von 1,0 χ mol/1 benutzt wird. Der Schwellwert der Leistung nimmt auf 1,9Vi ab, wenn eine Farbstoffkonzentration von 1,2 χ 10~ mol/1 benutzt wird und erreicht schließlich seinen Tiefstand mit 1,5W, wenn eine Farbstoffkonzentration von 1,4 χ 10 mol/1 verwendet wird. Der Schwellwert der Leistung steigt dann bei einer Farbstoff konzentration von 1,6 χ 10 mol/1 auf 2,4W und bei einer höheren Farbstoffkonzentration von 2,0 χ 10 mol/1 schließlich auf 2,8W an. Die Spitzenausgangsleistung des Farbstofflasers beschreibt eine ähnliche Kurve, d.h. sie steigt von 106mW bei einer Farbstoffkonzentration von 1,0 χ 10 mol/1 über 162mW bei einer Farbstoffkonzentration von 1,2 χ 10 mol/1 auf eine

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-3 Höhe von 224mW bei einer Farbstoffkonzentration von 1,4 χ 10 mol/1 an und fällt dann über l62mW auf 12OmW bei Farbstoffkon-

-3 -3

zentratianen von 1,6 χ 10 mol/1 bzw. 2,0 χ 10 mol/1 ab. Aus diesen Ergebnissen kann entnommen werden, daß die optimale Farbstoffkonzentration für den speziellen Cyanir.-Farbstoff laser

lösungs _3

bei einem Durchmesser der Farbstoff-äule vo;n 3OWm 1,4 χ 10 mol/1 beträgt. Andere Laserfarbstoffe, welche den benutzten Cyanin-Farbstoff ersetzen können, werden andere optimale Farbstoffkonzentrationen erfordern. Außerdem ändert sich die zur höchsten Ausgangsleistung führende Farbstoffkonzentration mit der Größe des der Farbstofflösung zur Verfügung stehenden Hohlraumes, also mit dem Durchmesser der Lösungssäule. Der optimale Durchmesser der Bohrung des Kapillarröhrchens und die optimale Farbstoffkonzentration ist für jeden Laserfarbstoff und jeden anregenden Diodenlaser anders bestimmt* Allgemein läßt sich jedoch sagen, daß innerhalb gewisser Grenzen bei Verkleinerung des Durchmessers des der Farbstofflösung zur Verfugung stehenden Hohlraumes die Farbstoffkonzentration der Lösung zunehmen muß, wenn optimale Bedingungen zur Aussendung laserkorreiierter Wellen geschaffen werden sollen.

Mit dem bevorzugten Cyanin-Farbstoff kann der Laser 10 ohne aktive Zirkulation der Farbstofflösung für einige Stunden betrieben werden, wobei sich fast keine Änderung der Ausgangsleistung zeigt. Bei einem Test mit einem Diodenlaser, der mit einer Impulsfrequenz von 200Hz betrieben wird und eine Pumpleistung von 7W erbringt, sinkt die Ausgangsleistungjdes Farbstoff lasers innerhalb von 60 Betriebsstunden allmählich auf den halben Anfangswert ab. Um dem abzuhelfen, kann eine Zirkulation der Farbstoff lösung vorgesehen werden. Dadurch\;wird die Stabilität der Laserleistung erhöht. Eine Zirkulation ist stets wünschenswert, wenn andere weniger stabile-Laserfarbstoffe als Cyanin verwendet werden.

Aus Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lasers ersichtlich. Eine höhere Ausgangsleistung des dem Laser 10 entsprechenden Lasers 15 wird dadurch erreicht, daß die Farbstoff lösung in seinem Hohlleiter 41, dessen Länge 2mm und dessen innerer Durchmesser ungefähr 3OJUm beträgt, mit einer geraden Reihe

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von Diodenlasern 44 erregt wird. Diese Diodenlaser könnten die

nerqesteilten
von den Laser Diode Laboratories, Ine /vom Typ LA215 sein. Die Reihe der Diodenlaser 44 ist 3,8mm (156 mils) lang und besteht aus zwölf einzelnen Diodenlasern. Bei einer Anregungsleistung von ungefähr 15W, welche die Diodenlaser 44 verläßt und von dem Hohlleiter 41 aufgenommen wird, beträgt die ,Ausgangsleistung
des Lasers 15 annähernd O,7W. Eine höhere Ausgangsleistung
kann dadurch erzielt werden, daß die Farbstofflösung im Hohlleiter 41 gleichzeitig aus verschiedenen Richtungen bestrahlt wird oder dadurch, daß die Bohrung des Kapillarröhrchens verengt wird.

Eine weitere Ausführungsform ergibt sich aus Fig. 6a. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Laser 18, wie er oben beschrieben wurde, abgesehen davon, daß die Länge des optischen Hohlraumresonators 70 vergrößert wurde, damit ein sphärischer Spiegel 72 einbezogen werden konnte. Der Krümmungsmittelpunkt dieses Spiegels ist so eingestellt, daß er mit dem einen Ende 74 der Bohrung 76 des Kapillarröhrchens des Resonators 70 zusammenfällt. Dank einer Spiegelschicht 78 reflektiert der Spiegel 72 das sich entlang der Achse des Resonators 70 ausbreitende
Laserlicht auf sich selbst zurück. Die Hinzufügung des sphärischen Spiegels 72 zum Resonator zeigt, daß dessen Länge so vergrößert werden kann, daß der Resonator eine Abstimmeinrichtung aufnehmen kann. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6a beträgt der Krümmungsradius des Spiegels 72 6,4mm, während der Durchmesser und die Länge der Bohrung 76 20/im bzw. lmm betragen.

Ein abstimmbarer Farbstoff-Laser, bei dem die aus Fig. 6a ersichtlichen Konstruktionsprinzipien angewendet sind, ist die in Fig. 6b dargestellte Ausführungsform. Die Abstimmeinrichtung besteht aus einer Kollimatorlinse 92 und einem Zerstreuungselement 94. Sie ist annähernd ein optisches Äquivalent zu dem sphärischen Spiegel 72 der Ausführungsform gemäß Fig. 6a. Das Zerstreuungselement 94 ist in Fig. 6b als Beugungsgitter dargestellt, könnte jedoch auch ein geneigtes Etalon, ein Prisma,
eine geneigte doppelt-brechende Platte usw. oder ein Satz von mehreren solcher gleichartiger Elemente sein, kombiniert mit
einem ebenen Spiegel.' Das Substrat 96 für die eine Spiegelschicht 106 des Hohlraumresonators 102 könnte auch ohne Spiegelschicht

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verwendet werden. Wenn dies der Fall ist, sind die Laserwellenlängen durch das Zerstreuungselement 9 4 der Abstelleinrichtung 98 vollständig bestimmt. Wenn eine teilweise durchlässige Breitband-Spiegelschicht auf dem Substrat 96 verwendet wird, wirken der Spiegel 96, 106 und die Abstimmeinrichtung 98 als Reflektor zusammen, der innerhalb des von -dem Zerstreuungselement 94 bestimmten engen Wellenlängenberexches ein höheres Reflexionsvermögen hat als es der Spiegel 96, 106 allein aufweisen würde. Die getroffene Anordnung ist besonders dann vorteilhaft, wenn Zerstreuungselemente mit verhältnismäßig hohen Verlusten,beispielsweise Beugungsgitter, benutzt werden..Da das in dem Resonator 102 zwischen den Spiegelschichten 106 und 104 hin und her wandernde Laserlicht nur teilweise von der Spiegelschicht 106 durchgelassen wird, sind die von dem Zerstreuungselement 94 verursachten Verluste geringer. Bei der dargestellten Anordnung sei das Substrat 96 mit einer Spiegelschicht 106 versehen, die im Wellenlängenbereich von 150nm bis lOOOnm in Luft eine Durchlässigkeit von 33% aufweist. Die Durchlässigkeit in Luft der Spiegelschicht 104 betrage innerhalb desselben Wellenlängenbereiches nur 2%. Die Länge der Bohrung 105 des Kapillarröhrchen sei 2mm, während ihr Durchmesser 27itm betrage. Die Brennweite der Kollimator linse 92 sei 4,6mm. Das Beugungsgitter (94) habe 630,8 Striche pro Millimeter und einen Winkel maximaler Intensität (Blazewinkel) von 2O°34'. Der Wirkungsgrad des Beugungsgitters (94) bei 900nm Wellenlänge betrage 78%. Die optische Länge des Resonators 102 sei 15mm.

Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform sei ferner durch das folgende Beispiel erläutert:

Beispiel II

Der Laserfarbstoff 5,5'-Dichlor-ll-diphenylamino-3,3'-diäthyl-10,12-äthylenthiatricarbocyaninperchlorat war in Tetramethylensulf oxid (TMSO) in einer Konzentration von 14 χ 10 mo1/1 gelöst. Die nicht dargestellte Anregungsquelle war eine Reihe von Diodenlasern vom Typ LA215, wie sie die Laser Diode Laboratories, Inc. herstellen. Die Diodenlaserreihe war 3,8mm lang und bestand aus zwölf einzelnen Diodenlasern. Die von den aufgereihten Diodenlasern ausgehenden Anregungsstrahlen wurden

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mit Hilfe zweier nicht dargestellter f/1.O-Kodak-Projektionslinsen mit einer Brennweite von 22mm auf die Bohrung 105 des Kapillarröhrchen fokussiert.

Die Winkellage des Beugungsgitters (94) bezüglich der Achse des Resonators 102 war so eingestellt, daß sich die maximale Gesamtausgangsleistung ergab. Das Spektrum wurde mit einem

Monochromator gemessen. Als Wellenlänge für die Spitzenintensität wurden 961nm gemessen. Die Bandbreite der Strahlung war kleiner als 6nm. Dann wurde der Winkel et zwischen dem Beugungsgitter und der Achse 97 um 12,7mrad geändert. Als Wellenlänge der Spitzenintensität wurden dann 989nm gemessen. Wiederum war die Bandbreite der Strahlung kleiner als 6nm. Durch Änderung des WinkelscCum insgesamt ungefähr 28mrad kann der Laser kontinuierlich über eine Bandbreite abgestimmt werden, die von 932nm bis 992nm reicht.

Bei dem hier offenbarten^erfindungsgemäß durch einen Diodenlaser angeregten Farbstoff-Laser hat sich gezeigt, daß er niederfrequente Transversalschwingungen erzeugt. Es ist allgemein bekannt, daß Laserstrahlen, die sich als niederfrequente Transversalschwingungen fortpflanzen, in einer Vielzahl von Anwendungen mit Vorteil verwendet werden können. Die Ausbreitung eines Laserstrahls in Form einer niederfrequenten Transversalschwingung ist besonders für Fernmeldezwecke vorteilhaft.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Farbstoff-Lasers besteht darin, daß kurze Anregungsimpulse eines schnell gepulsten Diodenlasers benutzt werden können, um einen Laserstrahl mit entsprechend kurzen Impulsen zu erzeugen. Impulse von kurzer Dauer sind in der Spektroskopie, der Fernmeldetechnik usw. nützlich.

Noch ein anderer Vorteil des erfindungsgemäßen Lasers besteht darin, daß die Anregung des Farbstoff-Lasers mittels des Diodenlasers eine Laseranordnung schafft, die vom Standpunkt des Verhältnisses der Steuereingangsleistung zur optischen Ausgangsleistung wirkungsvoller ist als bekannte Farbstoff-Laser.

Schließlich ist der erfindungsgemäße Farbstoff-Laser auch insofern vorteilhaft, als er ohne weiteres an die Verwendung anderer

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als der bekannten Farbstoffe und Diodenlaser angepaßt werden kann, falls solche auf den Markt kommen. Im Handel erhältliche GaAlAs- und GaAs-Diodenlaser liefern Licht im Spektralbereich von 0,7TjUTO. bis 0,9JUm., während potentiell brauchbare Laserfarbstoffe im Spektralbereich von 0,35^m bis 1,2*... absorbieren. Für jeden gewählten besonderen Farbstoff muß ein Diodenlaser benutzt werden, der eine Emissionswellenlänge erzeugt, die in das Absorptionsband des Farbstoffes fällt. Auch die Spiegel 18 müssen innerhalb des Fluoreszenzbandes des Farbstoffes, in dem Laserschwingungen vorkommen, das geeignete Reflektionsvermögen haben. Außerdem müssen die Abmessungen der Bohrung 14 des Kapi Harr öhr chens so gewählt werden, daß sich die optimalen Bedingungen für die Aussendung laserkorrelierter Wellen einstellen.

Der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Farbstoff-Lasers dürfte aber darin zu sehen sein, daß eine Zirkulation der Farbstofflösung im Hohlraumresonator entfallen kann, so daß der Laser dank des Wegfalls einer Umwälzeinrichtung sehr klein und kompakt ausgebildet werden kann.

Die beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lasers sind natürlich mancher Abwandlung fähig. So kann der Laser 10 beispielsweise dadurch noch kompakter gemacht werden, daß die fokussierenden Mikroskop-Objektive 36 weggelassen werden und der Diodenlaser 28 dicht neben die planparallele Platte 16 gesetzt wird. In diesem Fall muß die Bohrung 23 des Kapillarröhrchens dicht an die Oberfläche der Platte 16 gesetzt v/erden (Abstand ungefähr 50 - lOOyftm) , so daß der größte Teil des Pumplichtes im divergierenden Anregungsstrahl 30 von der Farbstofflösung absorbiert wird. Wahlweise kann der Anregungsstrahl 30 des Diodenlasers 28 durch ein Lichtleitfaserbündel mit dem Hohlleiter 15 gekoppelt werden.

Claims

Ansprüche

D Farbstoff-Laser, gekennzeichnet durch mindestens einen Halbleiter (28) mit einem n-p-übergang, der bei Stromdurchgang eine Strahlenemission erzwingt und dadurch eine Laserstrahlung erzeugt, als Anregungsquelle, durch eine aktive, flüssige Lösung (11) von fluoreszierenden organischen Farbstoffmolekülen in einem Lösungsmittel, durch einen Hohlraum (14) , der wenigstens einen Teil der Lösung (11) enthält, durch eine

. Einrichtung (18),.die einen zur Erzeugung einer Laserstrahlung

der

ausreichenden Teil/von angeregten Farbstoffmolekülen ausgesandten verstärkten Strahlung in den Hohlraum (14) zurückleitet, und durch eine Einrichtung (36) zum Ausrichten der Laserstrahlung des Halbleiters (28) auf die im Hohlraum (14) befindliche Lösung (11) , so daß sich eine zum Anregen einer genügenden Zahl von Farbstoffmolekülen und damit zum Erzeugen einer Populationsinversion ausreichende Energiedichte einstellt.
2) Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter ein Diodenlaser (28) ist.
3) Laser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, in einer geraden Reihe angeordnete Diodenlaser (44) vorgesehen sind (Fig. 5).
4) Laser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung des Diodenlasers (28) wenigstens teilweise Wellenlängen umfaßt, bei denen die Farbstoffmoleküle absorbieren.
5) Laser nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Diodenlaser ein GaAlAs-Diodenlaser (28) vorgesehen ist.

einem der
6) Laser nach/Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der

Querschnitt des Diodenlaserstrahls einen stabförmigen Querschnitt aufweist, bei dem die längere Abmessung mindestens das Zwanzigfache der kürzeren Abmessung beträgt.

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7) Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Farbstoff, dessen Moleküle wenigstens eine Absorptionslinie aufweisen, die mit einer Emissionslinie des Halbleiters (28) zusammenfällt.
8) Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Farbstoff, dessen Moleküle ein Absorptionsband aufweisen, welches das Emissionsspektrum des Halbleiters (28) wenigstens teilweise überlappt.
9) Laser nach Anspruch 7 oder8, gekennzeichnet durch einen Farbstoff, dessen Moleküle in einem Kontinuum von Wellenlängen absorbieren.
10) Laser nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch einen Farbstoff, dessen Moleküle in Infraroten absorbieren.
11) Laser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Farbstoff 5,5'-Dichlor-ll-diphenylamino-S,3 ^f-diäthYl-10,12-äthylenthiatricarbocyaninperchlorat vorgesehen ist.
12) Laser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel zumindest aus Tetramethylensulfoxid besteht.
13) Laser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel zumindest aus Dimethylsulfoxid besteht.
14) Laser nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbstoffkonzentration der Lösung (11) zwischen 1 χ 10~ mol/1 und 2 χ 10~ mol/1 beträgt.
15) Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (14) durch einen Hohlraumresonator (12) gebildet ist, der einen die Lösung (11) aufnehmenden Hohlleiter

(15) aufweist, und daß die Zurückleitungseinrichtung zwei an den Enden des Hohlleiters angeordnete Spiegel (18) aufweist.

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16) Laser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß beide Spiegel (18) eben und wenigstens annähernd senkrecht zur
Achse des Hohlleiters (15) angeordnet sind.
17) Laser nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Spiegel (18) für die Laserstrahlung der Lösung
(11) teilweise durchlässig ist.
18) Laser nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (15) kreiszylindrisch geformt ist.
19) Laser nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der
innere Durchmesser des Hohlleiters (15) zwischen 18 und

beträgt.
20) Laser nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex der Lösung (11) größer ist als der Brechungsindex des Hohlleiters (15).
21) Laser nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (15) eine koaxiale kapillare Bohrung (23) aufweist, inider sich die Lösung (11) befindet.
22) Laser nach Anspruch 20 und 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungswand aus einem Material besteht, dessen Brechungsindex kleiner ist als der Brechungsindex der Lösung (11).
23) Laser nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (23) in einer Platte (16) ausgebildet ist und die beiden Spiegel (18) zu beiden Seiten der Platte angeordnet sind.
24) Laser nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die
Platte (16) aus einem Stück poliertem, planparallelem geschmolzenem Quarz besteht.

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25) Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 24, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (22,24), die dem Hohlraum (14) den für ,sie bestimmten Teil der Lösung (11) zuführt.
26) Laser nach einem der Ansprüche 21 bis 25/ dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spiegel (18) im Abstand zu den Enden der Bohrung (23) angeordnet sind und dadurch mit dem Hohlleiter (15) einen Zulauf und einen Ablauf für die Lösung bilden. . .
27) Laser nach den Ansprüchen 25 und 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung (22,24) an den Zulauf angeschlossen ist.
28) Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtungseinrichtung (36) die Laserstrahlung des Halbleiters (28) auf die im Hohlraum (14) befindliche Lösung (11) konzentriert.
29) Laser nach den Ansprüchen 15 und 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtungseinrichtung (36) die Laserstrahlung des Halbleiters (28) auf die Achse (32) des Hohlleiters (15) fokussiert.
30) Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 29, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (92,94) zum Abstimmen auf eine oder mehrere bestimmte Wellenlängen.
31) Laser nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmeinrichtung eine Kollimatorlinse (92) und ein Zerstreuungselement (94) aufweist.
32) Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 31, gekennzeichnet durch einen Farbstoff, dessen Moleküle infrarote Strahlung emittieren.

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33) Farbstoff-Laser mit einem optischen Hohlleiter, dadurch gekennzeichnet, daß sein organischer Farbstoff im infraroten Bereich des optischen Spektrums ausgeprägt absorbiert und daß ihm die erforderliche Pumpenergie durch einen Diodenlaser (28) zugeführt wird, welcher im infraroten Bereich des optischen Spektrums emittiert.
34) Farbstoff-Laser, gekennzeichnet durch eine selbst Laserstrahlung emittierende Anregungsquelle und die Kombination eines Resonators, der einen optischen Hohlleiter und zwei Spiegel aufweist, die an den beiden Enden des Hohlleiters senkrecht zu dessen Achse angeordnet sind, und einer in dem Hohlleiter befindlichen aktiven Flüssigkeit, die in einem Lösungsmittel gelöste, fluoreszierende organische Farbstoffmoleküle enthält.

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