DE4229498A1 - Laser diode-excited solid-state laser - uses coupling mirror to provide partial feedback of each individual resonator mode - Google Patents

Laser diode-excited solid-state laser - uses coupling mirror to provide partial feedback of each individual resonator mode

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Abstract

The laser exhibits several spaced laser modes between two relatively spaced mirrors (1,3), stimulated by a one-dimensional or two-dimensional laser diode array. A second resonator space is provided via a further coupling mirror (6), with the mirror coatings providing feedback of part of the laser radiation for each individual resonator mode. An optical imaging element may be inserted into the second resonator space defined by the coupling mirror, with a Fourier grating (8) on the output side of the latter. ADVANTAGE - Eliminates thermal overload at high output power.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörperlaser gemäß dem Ober begriff des Anspruchs 1. The invention relates to a solid-state laser according to the preamble of claim 1.

Aufgrund des im Vergleich zu konventionellen, lampengepumpten Fest körperlasern wesentlich günstigeren Anregungsspektrums der vorgenannten Festkörperlaser und der Möglichkeit, das Pumplicht räumlich auf die Lasermode in einem solchen Festkörperlaser zu beschränken, bietet die Konfiguration - Laserdiode(n) als longitudinale Anregungsquelle zu verwenden - sehr gute Voraussetzungen für einen effizienten Laserbetrieb bei hohen Ausgangsleistungen. Due to the state lasers as compared to conventional lamp-pumped solid-much lower excitation spectrum of the above solid-state laser and the possibility to limit the pumping light in space to the laser mode in such a solid-state laser, the configuration provides - laser diode (s) to be used as longitudinal excitation source - very good conditions for efficient laser operation at high output powers. Dies ist beispielsweise durch W. Streifer et al. This is, for example, by W., brush et al. in IEEE JQE, Vol. 24, No. in IEEE JQE, Vol. 24, No. 6, June 1988, pp 883 beschrieben worden. 6, June 1988 pp 883 has been described.

Grundsätzlich stößt dieser sehr effiziente, longitudinale Anregungs mechanismus bei hohen Leistungsdichten durch die Zerstörschwelle im Laserkristall (z. B. bei Nd:VAG 115 W/cm) an die physikalisch realisier baren Grenzen; Basically this very efficient, longitudinal excitation mechanism abuts at high power densities by the damage threshold of the laser crystal (for example, at the Nd:. VAG 115 W / cm) to the physically realizable cash limits; siehe hierzu DL Sipes Jr., TDA Progress report 42-80, Oct.-Dec. see DL Sipes Jr., TDA Progress report 42-80, Oct.-Dec. 1984. Doch auch schon bei geringeren Pumpleistungen treten Probleme durch die thermische Kristallbelastung auf, wie z. 1984. Yet even at lower pump powers, problems arise due to the thermal load on the crystal such. B. thermische Linsenbildung (beides von P. Albers et al. in IEEE JQE Vol. 28, No. 4, April 1992, pp 1046 beschrieben), thermisch induzierte Doppelbrechung und eine geringer werdende Lasereffizienz aufgrund der veränderten Besetzungszustände der Laserniveaus. B. thermal lensing (both from P. Albers et al. In IEEE JQE Vol. 28, No. 4, April, 1992, pp 1046 described), thermally-induced birefringence and a diminishing laser efficiency due to the changed occupation states of the laser level. Ähnliche Effekte treten auch bei Laserdioden auf. Similar effects also occur in laser diodes.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Festkörperlaser zu schaffen, der die Probleme der thermischen Überlastung bei hoher Ausgangsleistung und guter Effizienz umgeht. The present invention is an object of the invention to provide solid-state laser that avoids the problems of thermal overload at high output power and good efficiency.

Zum einen soll die Laserausgangsleistung durch Skalieren mit vielen (Hochleistungs-)-Laserdioden in weiten Bereichen zu steigern sein, zum anderen soll der Laser eine hohe Effizienz und eine geringe Laser schwelle aufweisen, wie sie bisher nur mit von Laserdioden gepumpten Festkörperlasern oder Lochleistungs-Laserdioden im Bereich von einigen 100 mW realisiert wurden. The first is that the laser output power by scaling with many (high -) - have to increase laser diodes in a wide range, on the other hand, the laser is to have emerging high efficiency and low laser as previously required pumped by laser diode solid state lasers or punching power laser diode been realized in the range of several 100 mW. Das Strahlprofil sollte aber nach Möglichkeit die gleiche, hohe Qualität aufweisen, wie sie bisher von Laserdioden-an geregten Festkörperlasern bekannt ist. but the beam profile should seek to have the same high quality as it is known so far of laser diode to geregten solid state lasers.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen erfüllt. This object is achieved by the features indicated in claim 1. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen aufgezeigt und in den Figuren der Zeichnung skizziert. In the dependent claims refinements and developments are identified and outlined in the figures of the drawing. Es zeigen: Show it:

Fig. 1 ein Schemabild des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels mit eingeschobenem optisch abbildenden Element und einem nachgeord neten Fouriergitter, Fig. 1 is a diagram showing the construction of an embodiment with inserted image-forming optical element and a nachgeord Neten Fourier grating,

Fig. 2 ein Schemabild eines zweiten Ausführungsbeispiels, Fig. 2 is a schematic diagram of a second embodiment,

Fig. 3 ein Schemabild eines dritten Ausführungsbeispiels. Fig. 3 is a schematic diagram of a third embodiment.

Wie in Fig. 1 veranschaulicht, wird ein Festkörperlaser durch ein (beliebig skalierbares) ein- oder zweidimensionales Laserdiodenarray 4 angeregt, entweder direkt oder über Glasfasern. As illustrated in Fig. 1, a solid state laser is turned on by an (arbitrarily scalable) or stimulated two-dimensional laser diode array 4, either directly or via optical fibers. Der Festkörperlaser besteht aus einer Scheibe von mit laseraktiven Ionen dotiertem Fest körpermaterial 1 oder Glas (z. B. Nd:VAG) - nachstehend auch als Laserkristall 1 bezeichnet - welche in Laserqualität poliert ist und sich in einem Resonator befindet, der z. The solid-state laser consists of a disc doped with laser-active ions solid material 1, or glass (eg, Nd:. VAG) - also referred to as laser crystal 1 - which is polished in the laser quality and is located in a resonator z. B. so ausgebildet ist, daß die beiden Spiegelschichten 2 , 3 direkt auf der Scheibe aufgebracht sind. B. is designed so that the two mirror layers 2, 3 are applied directly to the disc. Auch können Laserdioden - z. Also, laser diodes - z. B. aus GaAlAs - verwendet werden, die vorzugsweise elektrisch gepumpt werden. B. GaAlAs - are used which are preferably electrically pumped.

Auf die beim longitudinalen optischen Pumpen gemeinhin übliche Kolli mier- und Fokussieroptik kann verzichtet werden, wenn im Falle des diodengepumpten Festkörperlasers Laserdioden und Festkörperlasermaterial 1 nahe genug zueinander positioniert sind, oder aber jeder einzelne Emitter der Pumplaserdioden 4 (bzw. jedes einzelne Faserende) wird durch eine Mikrooptik direkt in den Laserkristall abgebildet. Commonly mier- usual Necks on the optical when longitudinal pumping and focusing can be omitted if in the case of diode-pumped solid state laser diodes and solid state lasing material 1 are positioned close enough to each other, or each emitter of the pump laser diode 4 (or each fiber end) is a micro-optics mapped directly into the laser crystal.

Durch eine zusätzliche Aufweitoptik (nicht gezeichnet) kann man die einzelnen laseraktiven Emitter des Laserdioden-Arrays 4 auf den Laserkristall abbilden, so daß der Abstand der laseraktiven Bereiche beziehungsweise die Breite der nicht gepumpten Zonen im Festkörperlaser variiert werden kann. An additional diverging optic (not shown) can map the individual active laser emitter of the laser diode array 4 to the laser crystal so that the distance between the laser-active regions or the width of the non pumped zones can be varied in the solid state laser. Beim Pumpen über Glasfasern ist das einfach durch eine Änderung des Abstands zwischen den einzelnen Faserenden möglich. When pumping over optical fibers that is simply done by changing the distance between the fiber ends. Aufgrund des durch die thermische Linse hervorgerufenen stabilen Resonators bilden sich im Festkörperlaser einzelne Moden aus, die durch nicht gepumpte und nicht in Lasertätigkeit befindliche Bereiche voneinander getrennt sind. Due to the induced by the thermal lens stable resonator modes are formed from individual solid-state lasers, which are separated from each other by not pumped and not located in lasing regions.

Jede einzelne Mode 5 besitzt eine hohe Effektivität und eine niedrige Schwelle, genau so wie ein einzelner von Laserdioden gepumpter Festkörperlaser vergleichbarer Leistung. Each single mode 5 has a high efficiency and a low threshold, just like a single laser diode pumped solid-state laser of comparable power. Durch die räumliche Trennung der einzelnen Moden 5 ist die örtliche thermische Belastung des gesamten Laserkristalls 1 aber entscheidend reduziert. The spatial separation of the individual modes 5, the local thermal load of the entire laser crystal 1 is, however, substantially reduced. Mit der Emission in verschiedenen Teilbereichen des Laserkristalls 1 wird also bei gleicher Gesamtausgangsleistung die Leistungsdichte im Kristall verringert. With the emission in various partial regions of the laser crystal 1, the power density is reduced in the crystal Thus, at the same total output power.

Um jedoch ein gegenüber konventionellen von Laserdioden gepumpten Festkörperlasern adäquate Kohärenzeigenschaften und ein adäquates Strahlungsprofil zu erreichen, müssen zunächst die Festkörper-Emitter phasengekoppelt emittieren. However, to achieve over conventional pumped by laser diode solid state lasers adequate coherence properties and an adequate radiation profile, first the solid-state emitters must emit phase-locked. Die Phasenkopplung ist ein Novum gegenüber der Veröffentlichung von Nabors et al. The phase coupling is a novelty compared to the release of Nabors et al. ("Advanced Solid State Lasers" (17.-19.2.1992, Santa Fe, High power Microchip Laser Arrays Tu C5-1, 5.189 ff) und wird völlig anders vorgenommen, als von Oka et al. in deren Veröffentlichung (IEEE JQE Vol. 28, No. 4 , April 1992, pp 1142). beschrieben. Während dort die einzelnen emittierenden Bereiche durch die räumliche Überlagerung der Lasermoden automatisch mit einer festgelegten Phasendifferenz (bei zwei Emittern: δΦ=π) koppeln, soll bei dem hier vorliegenden Anmeldungsgegenstand eine Phasenkopplung durchgeführt werden, bei der keine oder nur eine geringe Phasendifferenz auftritt. ( "Advanced Solid State Lasers" (17.-02.19.1992, Santa Fe, High power microchip laser arrays Tu C5-1, 5189 ff) and is made completely differently than by Oka et al. (In the publication IEEE Vol JQE . 28, No. 4, April, 1992, pp 1142) describes While there, the individual emitting regions by the spatial superimposition of the laser modes automatically (with a fixed phase difference at two emitters.:. δΦ = π) couple, should in the present here registration subject a phase coupling are performed at occurring no or only a slight phase difference.

Jeder einzelne Festkörperlaser wird durch den Laserkristall ( 1 ) und die Spiegel ( 2 ) (hochreflektierend für die Laserwellenlänge, hochtransmit tierend für die Pumpwellenlänge) und ( 3 ) (teilreflektierend für die Laserwellenlänge) gebildet. Each individual solid-state laser (for the laser wavelength, hochtransmit tierend for the pump wavelength highly reflective) and (3) formed by the laser crystal (1) and the mirror (2) (in part reflective for the laser wavelength). Durch die optische Anregung des Laser kristalls mit Hilfe des Pump-Laserdiodenarrays 4 oder im Falle von Laserdioden eine geeignete Stromführung in räumlich voneinander getrennten Bereichen bilden sich im Festkörperlasermaterial die zuvor beschriebenen einzelnen Moden 5 aus. By the optical excitation of the laser crystal with the help of the pump laser diode arrays 4, or in the case of laser diodes, a suitable flow guide in spatially separate areas, the individual modes described above form in the solid state lasing material 5 made.

Zusätzlich befindet sich nun aber ein dritter, teilweise reflektierender Spiegel 6 vor dem eigentlichen Laserresonator, so daß eine Rückkopplung in die Einzelmoden 5 der aus den Spiegeln 2 und 3 gebildeten Laser resonatoren stattfinden kann. In addition, however, is now a third, partially reflecting mirror 6 before the actual laser cavity so that feedback can take place resonators in the single-mode 5 of the laser formed by the mirrors 2 and 3. FIG.

Die Form und Größe einer Lasermode in einem optischen Resonator sind Funktionen der Resonatorlänge und der Krümmungsradien der Resonator spiegel. The shape and size of a laser mode in an optical resonator are functions of the cavity length and the radii of curvature of the resonator mirror. Darum ist der Abstand vom Laserkristall 1 und Krümmungsradius des dritten, für die Phasenkopplung verantwortlichen Spiegels 6 so gewählt, daß das so gebildete Modenvolumen im Rückkopplungs-Resonator sämtliche emittierende Bereiche 5 des Laserkristalls 1 einschließt. Therefore, the distance from the laser crystal 1 and radius of curvature of the third, responsible for the phase-coupling mirror 6 is chosen so that the mode volume so formed in the feedback resonator all emitting regions including 5 of the laser crystal. 1 Dazu können auch zusätzliche, optisch abbildende Elemente 7 im Resonator zwischen den Spiegeln 3 und 6 für die gewünschte Form der sich ausbil denden Mode sorgen. This can include additional optical imaging elements 7 can 3 and 6 provide the desired shape which ausbil Denden mode in the resonator between the mirrors.

Der Reflexionsgrad des "Koppelspiegels" 6 ist so gewählt, daß ein Teil der Laserleistung gemeinsam in alle Emitter zurückreflektiert wird. The reflectance of the "coupling mirror" 6 is selected so that a portion of the laser power is reflected back together in all emitters. Überschreitet die auf diese Weise in jeden Einzellaser eingestrahlte Leistung einen bestimmten Wert, so schwingen alle diese Einzellaser mit gleicher Phase. the irradiated in this manner in each individual laser power exceeds a certain value, then all these individual oscillate lasers with the same phase. Diese gegenseitige Phasenkopplung aller Emitter untereinander ohne gegenseitige Phasendifferenzen geschieht nach dem Prinzip des "injection locking". This mutual phase coupling of all emitters to each other without mutual phase differences is done according to the principle of "injection locking".

Ein großer Vorteil dieser Anordnung ist, daß sich, bei der sich von alleine einstellenden, verschwindenden oder nur geringen Phasendifferenz das Maximum der emittierten Laserintensität auf der Strahlachse befindet, umgeben von mehreren weniger starken Nebenmaxima. A great advantage of this arrangement is that, at the autogenous by itself, vanishing or only slight phase difference is the maximum of the emitted laser intensity on the beam axis, surrounded by several less severe side maxima.

Mit dem nachfolgenden Fouriergitter 8 kann dann die gesamte emittierte Laserleistung in das zentrale Hauptmaximum gekoppelt werden, so daß das räumliche Strahlungsprofil dem eines konventionellen Lasers entspricht. With the following Fourier grating 8, the total emitted laser power can be coupled into the central main maximum then, so that the spatial radiation profile corresponds to that of a conventional laser.

Eine solche Technik des Zusammenführens einer ungleichmäßigen Inten sitätsverteilung in ein einziges Maximum mit Hilfe eines Fouriergitters ist für Laserdiodenarrays schon von Leger et al. Such a technique of merging a non-uniform Inten sitätsverteilung in a single peak using a Fourier grating for laser diode arrays already Leger et al. (Appl. Phys. Lett., Vol. 50, No. 16, 20. April 1987, pp 1044) beschrieben worden unter der Voraussetzung, daß die emittierenden Laser keine oder nur geringe Phasendifferenz aufweisen. (Appl. Phys. Lett., Vol. 50, No. 16, April 20, 1987, pp 1044) have been described under the assumption that the emitting laser having little or no phase difference.

Der Laserkristall muß nicht zwangsweise aus einem richtigen Kristall bestehen, wie Fig. 2 veranschaulicht. The laser crystal must not necessarily consist of a proper crystal, as illustrated FIG. 2. Die hier dargestellte, alter native Ausführungsform besitzt als laseraktives Material ein zusammen gefügtes Bündel dotierter Glasfasern 12 oder winziger einzelner Laserstäbchen 12 a oder Wellenleitern. The illustrated here, age native embodiment as a laser-active material has an assembled bundle doped glass fibers 12 or tiny single laser rod 12 a or waveguides. Die beiden zuletzt genannten Ausführungsformen in "compound-Bauweise" könnten bei Verwendung von speziellem, sehr gut wärmeleitendem Verbindungsmaterial 13 (z. B. einem Metall) weitere Vorzüge bezüglich der Wärmeableitung aus dem Kristall aufweisen. The two embodiments last mentioned in "compound-design" may have further advantages with respect to the heat dissipation from the crystal with the use of special, very good thermally conductive bonding material 13 (e.g. a metal. B.). Grundsätzlich besitzen Gläser, aber auch optische Kristalle eine im Verhältnis zu Metallen sehr geringe Wärmeleitfähigkeit. Basically have glasses, but also optical crystals have a relative to very low thermal conductivity metals. Wird ein Laserkristall 1 , 11 nun ausschließlich an den Punkten eingesetzt, an denen es für die Lasertätigkeit erforderlich ist, und werden die nicht laseraktiven Zonen aus z. A laser crystal 1, 11 now being used exclusively at the points where it is necessary for laser action, and the non-laser-active zones for. B. Metall gebildet, so ist die Wärmeleit fähigkeit des Gesamtsystems unter Umständen (je nach Volumenanteilen Kristall/Verbindungsmaterial) erheblich besser als bei einem homogenen Lasermaterial. As metal is formed, the thermal conductivity is of the overall system may (depending on the volume fractions of crystal / bonding material) considerably better than that of a homogeneous laser material.

Fig. 3 zeigt als alternative Ausführungsform eine ähnliche Konfigu ration, bei der anstatt des diodengepumpten Festkörperlasermaterials einzelne Laserdioden 21 mit fest aufgebrachten Resonatorspiegeln 22 und 23 die Laserresonatoren bilden. Fig. 3 shows an alternative embodiment, a similar Configu ration, in which individual laser diode 21 form instead of the diode-pumped solid-state laser material firmly applied resonator mirrors 22 and 23, the laser resonators. Die gegenseitige Phasenkopplung geschieht auch hier durch den Rückkopplungsspiegel 24 . The mutual phase coupling is done here by the feedback mirror 24th

Claims (9)

  1. 1. Festkörperlaser, der optisch angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Festkörper-Lasermaterial mehrere, räumlich hinreichend voneinander getrennte Lasermoden zwischen zwei Spiegeln ( 1 und 3 ) ausbilden, welche Laserstrahlung emittieren und ein weiterer Spiegel ( 6 ) dieser Anordnung zugeordnet ist wodurch einerseits alle Lasermoden des ein- oder zweidimensionalen Arrays ( 4 ) innerhalb des durch die Spiegel ( 1 ) bzw. ( 3 ) und ( 6 ) gebildeten zweiten Resonatorvolumens zu liegen kommen, wobei die Schicht des Spiegels ( 3 ) einen unteren Reflexionswert dadurch erfährt, daß für die Mode im Laserkristall ( 1 ) die Laserschwelle über schritten wird, andererseits die Schichten ( 3 ) und ( 6 ) so aufeinander abgestimmt sind, daß eine Rückkopplung eines Teils der Laserstrahlung in jede einzelne Resonatormode erfolgt. 1. Solid-state laser which is optically excited, characterized in that in the solid-state laser material a plurality of spatially sufficiently separate laser modes between two mirrors (1 and 3) form which emit laser radiation, and another mirror (6) is associated with this arrangement, whereby on the one hand all the laser modes of the one or two dimensional array (4) within the by the mirror (1) and (3) and (6) second resonator volume formed come to lie, wherein the layer of the mirror (3) experiences a lower reflection value by that for the mode in the laser crystal (1) is the laser threshold exceeded, on the other hand, the layers (3) and (6) are coordinated such that a feedback of a portion of the laser radiation takes place in each individual resonator.
  2. 2. Festkörperlaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem verwendeten Festkörper-Lasermaterial um eine dünne Scheibe ( 1 ) von mit Ionen der seltenen Erden dotierten Kristall oder Glas handelt. 2. solid-state laser according to claim 1, characterized in that it is used in the solid-state laser material is a thin slice (1) of doped rare earth ion of crystal or glass.
  3. 3. Festkörperlaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich beim Lasermaterial ( 11 ) um ein zusammengefaßtes Bündel von mit Ionen der seltenen Erden dotierte Glas- oder Kristallfasern bzw. Wellenleiter strukturen ( 12 ) handelt. 3. Solid-state laser according to claim 1, characterized in that in the laser material (11) is a bundle of aggregated-doped with rare earth ion of glass or crystal fibers or waveguide structures (12).
  4. 4. Festkörperlaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich beim Lasermaterial ( 11 ) um ein mit einer gut wärmeleitenden Wärme substanz - z. 4. solid-state laser according to claim 1, characterized in that it is in the laser material (11) is a substance having a highly heat-conductive heat - z. B. Metall - ( 13 ) zusammengefügtes Bündel aus einzelnen Laserstäben ( 12 a) handelt. B. Metal - (13) A joint bundle of individual laser rods (12 a) acts.
  5. 5. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionsgrad des Koppelspiegels ( 6 ) so ausgelegt wird, daß ein Teil der Laserleistung gemeinsam in alle Emitter ( 4 ) zurückreflektiert wird (gegenseitige Phasenkopplung). 5. Solid-state laser according to one of claims 1 to 4, characterized in that the reflectance of the coupling mirror (6) is designed so that a part of the laser power in common in all the emitters (4) is reflected back (mutual phase coupling).
  6. 6. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand vom Laserkristall ( 1 ) zum Krümmungsradius des für die Phasenkopplung zuständigen Spiegels ( 6 ) so festgelegt wird, daß das so gebildete Modenvolumen im Rückkopplungsresonator ( 2 , 6 ) sämtliche emittierenden Bereiche ( 5 ) des Laserkristalls ( 1 ) einschließt. 6. Solid state laser according to one of claims 1 to 5, characterized in that the distance from the laser crystal (1) to the curvature radius of the charge of the phase-coupling mirror (6) is set so that the mode volume so formed in the feedback resonator (2, 6) all -emitting regions (5) of the laser crystal (1) includes.
  7. 7. Festkörperlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß optisch abbildende Elemente ( 7 ) im Resonator zwischen den Spiegeln ( 3 , 6 ) einschiebbar angeordnet sind. 7. Solid state laser according to claim 6, characterized in that the optical imaging elements (7) in the cavity between the mirrors (3, 6) are arranged insertable.
  8. 8. Festkörperlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Koppelspiegel ( 6 ) ein Fouriergitter ( 8 ) nach geschaltet ist. 8. Solid state laser according to one of claims 1 to 7, characterized in that the coupling mirror (6) a Fourier grating (8) is connected to.
  9. 9. Festkörperlaser, der optisch angeregt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß es sich bei dem Lasermaterial selbst um ein ein- oder zweidimensionales Array von Laserdioden ( 21 ) mit fest aufgebrachten Resonatorspiegeln ( 22 , 23 ) handelt, welche elektrisch angeregt werden und zur Phasenrückkopplung ein Rückkopplungsspiegel ( 24 ) nachgeordnet ist. 9. solid state laser which is optically excited, characterized in that it is in the laser material itself to a one- or two-dimensional array of laser diodes (21) firmly applied resonator mirrors (22, 23) which are electrically excited and phase feedback a feedback mirror (24) is arranged downstream.
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