DE3403107A1 - Verfahren zum herstellen einer plattenfoermigen linse, die nur in richtung der dicke einen brechungsindex-gradienten aufweist - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer plattenfoermigen linse, die nur in richtung der dicke einen brechungsindex-gradienten aufweist

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DE3403107A1 DE19843403107 DE3403107A DE3403107A1 DE 3403107 A1 DE3403107 A1 DE 3403107A1 DE 19843403107 DE19843403107 DE 19843403107 DE 3403107 A DE3403107 A DE 3403107A DE 3403107 A1 DE3403107 A1 DE 3403107A1
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    • G02B3/00—Simple or compound lenses
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Description

Verfahren zum Herstellen einer plattenförmigen Linse, die nur in Richtung der Dicke einen Brechungsindex-Gradienten aufweist.
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer plattenförmigen Linse, die einen Brechungsindex-Gradienten lediglich in Richtung ihrer Dicke aufweist und beispielsweise bei einer optischen Kopplung zwischen einer optischen Leitungsfaser und einer HaIbleiterlaser-Lichtquelle verwendet wird.
Ein Kopplungsverfahren für eine Lichtquelle und eine optische Faser zum Ankoppeln eines von einem Halbleiterlaser (LD) oder einer lichtaussendenden Diode (LED) als eine Lichtquelle abgegebenen Lichtes an eine Übertragungsleitung aus einer optischen Faser mit einem hohen Wirkungsgrad ist als eines der Steuerungsverfahren von Lichtbündeln bei Kommunikationssystemen mit optischen Fasern bedeutend, um die Zuverlässigkeit des Kommunikations-Schaltkreises zu erhöhen. Im allgemeinen wird das von einer Lichtquelle abgegebene Licht mittels eines optischen Elementes, beispielsweise einer Linse, konvergiert, um seinen Wirkungsgrad beim Ankoppeln an eine optische Faser zu verbessern. Als ein solches optisches Element werden eine Zylinderlinse, eine sphärische Linse, eine/konvergierende Stablinse mit einem Brechungsindex-Gradienten, eine gewöhnliche Linse mit nicht-sphärischer Fläche oder eine Kombination hiervon als wirksam angesehen.
In diesen optischen Elementen bewirkt die Zylinderlinse, daß ein Lichtbündel in einer Richtung konvergiert wird und insbesondere, daß ein Lichtbündel, das bei seiner
Erzeugung durch eine Halbleiter-Laser-Lichtquelle einen 5
in Abhängigkeit von seiner Richtung variierenden Ausstrahlungswinkel aufweist, kollimiert wird. Ein Lichtbündel kann jedoch durch die Zylinderlinse wegen ihrer Aberration nicht völlig kollimiert werden. Eine Zylinderlinse mit nicht-sphärischer Fläche läßt.sich ferner durch Glasschleifen nur schwer herstellen.
Die vorliegende Erfindung liefert eine plattenförmige Linse, die durch Anwenden eines molekularen Einbring-Verfahrens einen Brechungsindex-Gradienten in.lediglich einer Richtung aufweist.
Das molekulare Einbring-Verfahren ist bekannt als ein Verfahren zum Präparieren . eines stangenförmigen Glas-Werkstückes, das einen Brechungsindex-Gradienten aufweist.
Αυ Bei diesem Verfahren wird eine poröse Glasstange als Rohmaterial verwendet und ihre feinen Poren mit Dotierstoffen (Komponenten, die den Brechungsindex modifizieren) gefüllt. In der japanischen Patentanmeldung (OPI) Nr.126207/76 (der hier verwendete Ausdruck "OPI" bedeutet "veröffentlichte, ungeprüfte japanische Patentanmeldung") offenbart sowohl ein Verfahren zum Herstellen eines porösen Glases als auch ein Verfahren zum Herstellen eines Glas-Werkstückes, das durch Verwenden des molekularen Einbring-
Verfahrens einen Brechungsindex-Gradienten aufweist. 30
Dieses Verfahren zum Herstellen eines Glas-Werkstückes, das einen Brechungsindex-Gradienten aufweist, ist nachfolgend beschrieben.
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Ein Borsilikat-Glas wird unter vorbestimmten Bedingungen einer Wärmebehandlung unterzogen, um es in eine Siegreiche Phase und in eine Alkalimetalloxid- und B3O,-reiche Phase zu trennen. Diese Alkalimetalloxid- und B20,-reiche Phase ist in Säuren leicht löslich und wird daher durch Behandeln mit einer wässrigen Lösung einer Säure, beispielsweise Salzsäure, Schwefelsäure und Salpetersäure, herausgelöst, um ein poröses Glas zu präparieren, das durchgehende Mikroporen und die SiOp-reiche Phase als ein Skelett aufweist. Die Mikro-. poren des wie obenstehend präparierten porösen Glas-Werkstückes werden mit einer Lösung von Dotierstoffen getränkt (Einbringen), sodann wird ein Teil der Dotierstoffe von der Außenseite des Glas-Werkstückes her herausgelöst (Austreiben), um in dem Glas-Werkstück einen Dotierstoffkonzentrations-Gradienten auszubilden.Danach werden die Dotierstoffe ausgefällt bzw. abgelagert und das Glas-Werkstück getrocknet und einer Wärmebehandlung unterzogen, um die Mikroporen zu kollabieren, wodurch sich das gewünschte Glas-Werkstück, das einen Brechungsindex-Gradienten in radialer Richtung aufweist, ergibt. Bei dem so hergestellten, stabförmigen Glas-Werkstück, daß in radialer Richtung einen Brechungsindex-Gradienten aufweist, ändert sich der Brechungsindex-Gradient gemäß der folgenden Gleichung (1):
n(r)2=n2[i-(gr)2]
in der r den Radius darstellt, nQ den Brechungsindex des zentralen Bereiches darstellt und g eine Konstante ist. Das Glas-Werkstück kann daher als eine stabförmige Linse für Mikrolinsen-Anordnungen oder als eine Mikrolinse zum Koppeln optischer Kommunikations-Fasern verwendet werden.
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Ein Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer förmigen Linse vorzusehen, die durch Verwenden des oben beschriebenen molekularen Einbring-Verfahrens einen Brechungsindex-Gradienten in lediglich einer Richtung aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft in einer ihrer Ausführungsformen ein Verfahren zum Herstellen einer plattenförmigen Linse, die einen Brechungsindex-Gradienten lediglich in Richtung der Dicke aufweist, das gekennzeichnet ist durch folgende Schritte:
Einbringen einer Lösung eines Dotierstoffes in Mikroporen eines plattenförmigen, porösen Glas-Werkstückes, Austreiben eines Teiles des Dotierstoffes zum Bilden eines Dotierstoff-Konzentratlonsgradienten in dem porösen Glas-Werkstück,
Ausfällen bzw. Ablagern des Dotierstoffes in den Mikroporen,
Trocknen des porösen Glas-Werkstuckes zum Verflüchtigen
*w des in den Mikroporen befindlichen Lösungsmittels, Kollabieren der Mikroporen durch Anwenden einer Wärmebehandlung zum Ausbilden eines Brechungsindex-Gradienten in dem plattenförmigen Glas-Werkstück und Abschneiden beider seitlicher Endbereiche des plattenförmigen Glas-Werkstückes.
Bei einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer plattenförmigen Linse, die einen Brechungsindex-Gradienten lediglich in Richtung der Dicke aufweist, die gekennzeichnet ist durch folgende Schritte: Bedecken beider Seitenflächen eines plattenförmigen, porösen Glas -Werkstück mit einem wärmebeständigen Film, Einbringen einer Lösung eines Dotierstoffes in die Mikroporen des plattenförmigen, porösen Glas-Werkstückes,
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Austreiben eines Teiles des Dotierstoffes in Richtung der Dicke zum Bilden eines Dotierstoff-Konzentrations-Gradienten in dem plattenförmigen, porösen Glas-Werkstück lediglich in Richtung der Dicke,
Ausfällen bzw. Ablagern des Dotierstoffes in den Mikroporen,
Trocknen des porösen Glas-Werkstückes zum Verflüchtigen des in den Mikroporen befindlichen Lösungsmittels und Kollabieren der Mikroporen durch Anwenden einer Wärmebehandlung zum Ausbilden eines Brechungsindex-Gradienten lediglich in Richtung der Dicke.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines plattenförmigen, porösen Glas-Werkstückes, das an beiden Seitenflächen mit einem Film abgedeckt ist,
Fig. 3(a) dreidimensionale Kurven zur Verdeutlichung der und 3(b) Dotierstoffkonzentrations-Verteilung in einem plattenförmigen Glas-Werkstück,
Fig. 4 eine Kurve einer Brechungsindex-Verteilung in der erfindungsgemäßen plattenförmigen Linse in Richtung ihrer Dicke,
Fig. 5 eine Kurve einer Brechungsindex-Verteilung
in der erfindungsgemäßen plattenförmigen Linse in Richtung ihrer Breite und
Fig. 6 und 7 jeweils eine Darstellung zur Verdeutlichung
der Verwendung der erfindungsgemäßen plattenförmigen Linsen.
In der Zeichnung sind ein plattenförmiges, poröses Glas-Werkstück 1, Seitenflächen 2,2' des porösen Glas-Werkstückes, eine Konzentrationsverteilungskurve 3, Lichtquellen - 4,7, eine plattenförmige Linse 5, paralleles Licht 6 und konvergentes Licht 8 dargestellt.
Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als ein Rohmaterial verwendete plattenförmige,poröse Glas-Werkstück kann beispielsweise durch ein nachstehend beschriebenes Verfahren präpariert werden.
Ein zum Durchführen einer Phasenseparation geeignetes plattenförmiges Borsilikat-Glas wird unter vorbestimmten Bedingungen einer Wärmebehandlung unterzogen, um es in eine SiOp-reiche Phase und eine Alkalimetalloxid-und
iuU BpO,-reiche Phase zu trennen. Die Glasplatte wird sodann mit einer flüssigen Lösung, die eine Säure, beispielsweise Salzsäure,Schwefelsäure und Salpetersäure hält, behandelt, um die leicht säurelösliche Alkalimetalloxid- und BpO,-reiche Phase herauszulösen, wodurch sich das ge -
nc 'J
zo wünschte poröse Glas-Werkstück ergibt, das durchgehende Mikroporen und die SiOp-reiche Phase als ein Skelett aufweist. Bei dem hier verwendeten plattenförmigen, porösen Glas-Werkstück beträgt die Breite vorzugsweise wenigstens
das zweifache der Dicke.
30
Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig.* 1 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung aller erfindungsgemäßer Schritte, bei dem eine Folge (a) wie oben
•rl.
beschrieben die erste erfindungsgemäße Ausführungsform und eine Folge (b) die zweite Ausführungsform darstellen, g^emäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein plattenförmiges, poröses Glas-Werkstück 1 als solches oder, wie in Fig. 2 dargestellt, nach Bedecken beider Seitenflächen 2 und 2' des Glas-Werkstückes 1 mit einem wärmebeständigen Film in einer Dotierstoff-Lösung getränkt. Auf diese Weise werden die Mikroporen des Glas-Werkstückes 1 mit dem Dotierstoff gefüllt. Das Glas-Werkstück 1 wird sodann in Wasser oder in einer gemischten Lösung von Wasser und einem organischen Lösungsmittel getränkt, um einen Teil des Dotierstoffes von der Außenseite des porösen Glas-Werkstoffes 1 her herauszulösen, wodurch in dem Glas-Werkstück 1, wie in den Fig. 3 (a) oder 3(b) dargestellt, ein Dotierstoff-Konzentrations-Gradient ausgebildet wird. Fig. 3 (a) zeigt dabei eine Dotierstoff-Verteilungskurve 3 für das Verfahren, bei dem das Einbringen und das Austreiben ohne Bedecken beider Seitenflächen des Glas-Werkstückes 1 mit dem Film durchgeführt wird, während Fig. 3(b) eine Dotierstoff-Verteilungskurve 3 für das Verfahren zeigt, bei dem das Einbringen und das Austreiben nach Bedecken beider Seitenflächen des Glas-" Werkstückes 1 durchgeführt wird. Unabhängig davon, ob beide Seitenflächen des Glas-Werkstückes 1 mit dem· Film bedeckt werden oder nicht, werden vorzugsweise die obere und die untere Fläche des Glas-Werkstückes 1 mit einem wärmebeständigen Film abgedeckt, um das Einbringen und das Austreiben des Dotierstoffes in Längsrichtung des Glas-Werkstückes 1 zu hemmen.
Nach dem Ausbilden der vorbestimmten Dotierstoff-Verteilung in dem porösen Glas-Werkstück wird das Glas-Werkstück in einem auf einer niedrigen Temperatur gehaltenen organischen Lösungsmittel gewässert, um den Dotierstoff in seinen Mikroporen auszufällen bzw. abzulagern. Zum Verflüchtigen des in den Mikroporen be-
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ί findlichen Lösungsmittels wird das Glas-Werkstück sodann getrocknet. Nach Abnehmen des Films, sofern die Seitenflächen hiermit abgedeckt wurden, werden die Mikroporen durch Anwenden einer Wärmebehandlung kollabiert. Auf diese Weise läßt sich ein plattenförmiges Glas-Werkstück gewinnen, das einen Brechungsindex-Gradienten aufweist.
Die Brechungsindex-Verteilungskurve des wie obenstehend präparierten plattenförmigen Glas-Werkstückes verläuft analog zu der in Fig. 3 gezeigten Dotierstoff-Verteilungskurve. Die Brechungsindex-Verteilungskurve des ohne Bedecken seiner Seitenflächen präparierten plattenförmigen Glas-Werkstückes verläuft, wie aus Fig. 3 (a) abgeschätzt werden kann so, daß der Brechungsindex in Richtung der Dicke auf die Außenseite zu allmählich kleiner wird, in Richtung der Breite wird er lediglich an beiden seitlichen Endbereichen ebenfalls allmählich kleiner, in dem zentralen Bereich ist er jedoch konstant oder gleichförmig. Beträgt die Breite des plattenförmigen, porösen Glas-Werkstückes weniger als das zweifache der Dicke, so kann in diesem Fall in Richtung der Breite in dem zentralen Bereich kein Teil ausgebildet werden, das einen gleichförmigen Brechungsindex aufweist. Doch auch dann, wenn das erfindungsgemäße Verfahren ohne Bedecken der Seitenflächen mit dem Film durchgeführt wird, kann ein plattenförmiges Glas-Werkstück, das einen gleichförmigen Brechungsindex in Richtung der Breite in seinem zentralen Bereich aufweist, gewonnen werden, indem als Rohmaterial ein plattenförmiges, poröses Glas-Werkstück verwendet wird, bei dem die Breite wenigstens das zweifache der Dicke beträgt. Werden daher die seitlichen Endbereich von dem plattenförmigen Glas-Werkstück abgeschnitten, um Teile, in denen der Brechungsindex in Richtung der Breite kleiner wird, zu entfernen · und um lediglich einen Teil zu belassen, in dem der Brechungsindex in Richtung der Breite gleichförmig ist, so kann ein
/in.
plattenförmiges Glas gewonnen werden, das einen Brechungsindex-Gradienten lediglich in Richtung der Dicke aufweist.
Andererseits kann, falls das plattenförmige Glas-Werkstück 5
an beiden Seitenflächen mit dem Film abgedeckt präpariert ist, wie sich aus Fig. 3(b) abschätzen läßt, bereits zu dem Zeitpunkt, zu dem die Wärmebehandlung abgeschlossen wird, ein plattenförmiges Glas-Werkstück erzielt werden, das einen Brechungsindex-Gradienten lediglich in Richtung der Dicke aufweist. Ein Glas-Prisma oder eine -Platte, von dem oder von der ein Teil des oberen und des unteren Bereiches abgenommen wurde, weist somit einen Brechungsindex-Gradienten auf, der, wie in Fig. 1J gezeigt, in Richtung der Dicke die oben beschriebene Gleichung (1) ° nahezu erfüllt, während es oder sie andererseits in Richtung der Breite, wie in Fig. 5 dargestellt, einen gleichförmigen Brechungsindex aufweist.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren präparierte plattenförmige Linse ist daher als optisches Element wirksam, beispielsweise, wie in Fig. 6 gezeigt, als ein optisches Element 5, das zum Kollimieren eines Lichtbündels einer Lichtquelle 4, deren Licht-Strahlungswinkel in lediglich einer Richtung groß ist oder sich verändert, in ein Bündel parallelen Lichtes 6 oder, wie in Fig. 7 gezeigt, als ein optisches Element 5, das zum Konvergieren eines von einer Lichtquelle 7 ausgestrahlten Bündels parallelen Lichtes verwendet wird.
Nähere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beispiele beschrieben.
Beispiel 1
Ein aus 54,50Gew.~% SiO3, 34,30 Gew.-% B3O3, 5,20 Gew.-% Nap0 und 6,00 Gew.-% K?0 bestehendes Glasmaterial wurde 3 Stunden lang bei 14500C geschmolzen, wobei es ungefähr eine Stunde lang wahrend des Schmelzverfahrens verrührt wurde. Das geschmolzene Glas wurde in eine Gießform eingegossen, eine Stunde lang auf 58O0C gehalten und danach
konnte es sich in einem Ofen abkühlen, um so einen Glas-10
block zu ergeben. Dieser Glasblock wurde beschnitten, um eine Glasplatte mit einer Dicke von 4 mm, einer Breite von 12 mm und einer Länge von 70 mm auszubilden. Diese Glasplatte wurde 120 Stunden lang einer Wärmebehandlung bei 54O0C unterzogen, um die Phasentrennung zu bewirken. Die so behandelte Glasplatte wurde 12 bis 24 Stunden lang bei einer Temperatur von 1000C in einer 1,5-normalen wässrigen Lösung von HpSO^, zum Erzielen einer porösen Glasplatte behandelt.
Die poröse Glasplatte wurde zum Bewirken des Einbringens 24 Stunden lang bei einer Temperatur von 1000C in einer 120 g CsNO1. pro 100 ml Wasser enthaltenden wässrigen Lösung gewässert und danach zum Bewirken des Austreibens 20 Minuten lang bei einer Temperatur von 7O0C in einer
40 Vol.% Äthanol enthaltenden wässrigen Lösung gewässert.
Zum Ausfällen bzw. zum Ablagern des Dotierstoffes in den Mikroporen wurde die Glasplatte sodann 3 Stunden lang bei O0C in einer Äthanol-Lösung gewässert. Die Glasplatte wurde getrocknet, indem sie einen Tag lang auf Raumtem-
peratur gehalten wurde, während sich das Lösungsmittel verflüchtigte. Die Glasplatte wurde zum Kollabieren der Mikroporen 6 Stunden lang bei 9O0C einer Wärmebehandlung unterzogen, wodurch eine durchsichtige Glasplatte mit
einer Dicke von 3,6 mm, einer Breite von 10,5 mm und einer 35
'/ιϊ.
Länge von 60 mm erzielt wurde.
Beide Seitenbereiche der Glasplatte mit einer Breite von 2 mm von der Außenseite in Richtung der Breite wurden abgeschnitten. Zusätzlich wurden der obere und der untere Endbereich mit einer Breite von 2,5 mm von der Außenseite in Richtung der Länge abgeschnitten, um ein plattenförmiges Glas-Werkstück mit einer Dicke von 3,6 mm, einer Breite von 6,5 mm und einer Länge von 55 mm herzustellen,
Das so hergestellte Glas-Werkstück wies lediglich in Richtung der Dicke einen Brechungsindex-Gradienten auf. Entsprechend der oben beschriebenen Gleichung (1) betrug die Brechungsindex-Verteilung nQ= 1,47 und g= 0,10. Es handelte sich somit um eine plattenförmige Linse, die in Richtung der Breite einen gleichförmigen Brechungsindex aufwies.
. Beispiel 2
Beide Seitenflächen eines auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 präparierten porösen Glas-Werkstückes wurden mit Teflon-Klebeband abgedeckt. Die Schritte Einbringen,
„5 Austreiben, Ausfällen bzw. Ablagern und Trocknen wurden bei dem porösen Glas-Werkstück unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt. Danach wurden die Teflonbänder abgenommen und das Glas-Werkstück unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 einer Wärmebehandlung unter-
or. zogen, um ein transparentes Glas-Werkstück mit einer Dicke von 3,6 mm, einer Breite von 10>5 mm und einer Länge von 60 mm herzustellen. Ein oberer und ein unterer Endbereich mit einer Breite von 2,5 mm von außen in Richtung der Länge der Glasplatte wurden abgeschnitten und die Länge
OE- des* zentralen Bereiches wurde auf 55 mm eingerichtet. Die auf diese Weise hergestellte Glasplatte war eine platten-
förmige Linse mit denselben Verteilungskonstanten wie in Beispiel 1 und einem Brechungsindex-Gradienten lediglich in Richtung der Dicke.

Claims (2)

  1. Patentansprüche
    1J Verfahren zum Herstellen einer plattenförmigen Linse, die nur in Richtung ihrer Dicke einen Brechungsindex-Gradienten aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    Einbringen einer Lösung eines Dotierstoffes in Mikroporen eines plattenförmigen, porösen Glas-Werkstückes, Austreiben eines Teiles des Dotierstoffes zum Bilden eines Dotierstoff-Konzentrationsgradienten in dem porösen Glas-
    Werkstück,
    Ausfällen bzw. Ablagern des Dotierstoffes in den Mikroporen,
    Trocknen des porösen Glas-Werkstückes zum Verflüchtigen des in den Mikroporen befindlichen Lösungsmittels, Kollabieren der Mikroporen durch Anwenden einer Wärmebehandlung zum Ausbilden eines Brechungsindex-Gradienten in dem plattenförmigen Glas-Werkstück und Abschneiden beider seitlicher Endbereiche des plattenförmigen Glas-Werkstückes.
  2. 2. Verfahren zum Herstellen einer plattenförmigen Linse, die nur in Richtung ihrer Dicke einen Brechungsindex-Gradienten aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    Bedecken beider Seitenflächen eines plattenförmigen, porösen Glas-Werkstückes mit einem wärmebeständigen Film, Einbringen einer Lösung eines Dotierstoffes in die .Mikroporen des plattenförmigen, porösen Glas-Werkstückes, Austreiben eines Teiles des Dotierstoffes in Richtung seiner Dicke zum Bilden eines Dotierstoff-Konzentrations-Gradienten in dem plattenförmigen, porösen Glas-Werkstück lediglich in Richtung seiner Dicke, Ausfällen bzw. Ablagern des Dotierstoffes in den Mikroporen,
    Trocknen des porösen Glas-Werkstoffes zum Verflüchtigen des in den Mikroporen befindlichen Lösungsmittels und Kollabieren der Mikroporen durch Anwenden einer Wärmebehandlung zum Ausbilden eines Brechungsindex-Gradienten> lediglich in Richtung seiner Dicke.
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