FR2575613A1 - Systeme electro-optique d'accord en longueur d'onde de laser a colorant - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION PORTE SUR UN SYSTEME ELECTRO-OPTIQUE INSERE DANS LA CAVITE D'UN LASER ACCORDABLE ET FORME PAR L'ASSOCIATION DE COMPOSANTS BIREFRINGENTS PASSIFS ET ACTIFS TELS QUE LAMES BIREFRINGENTES 29 ET CRISTAUX ELECTRO-OPTIQUES 9, 10, 11, 12 INTRODUISANT UN RETARD OPTIQUE PREDETERMINE OU AJUSTABLE EN FONCTION DE LA PLAGE D'ACCORD EN LONGUEUR D'ONDE. LE SYSTEME EST CONCU POUR ETRE COMMANDE PAR UNE FAIBLE TENSION DE COMMANDE ET POUR ASSURER UN ACCORD EN LONGUEUR D'ONDE SUIVANT UNE LOI DE BALAYAGE QUELCONQUE, AVEC UNE VITESSE QUI PEUT ETRE ELEVEE ET AVEC UNE LARGEUR DE RAIE D'EMISSION REGLABLE.
Description
DISPOSITIF ELECTROOPTIQUE D'ACCORD EN LONGUEUR D'ONDE DE
LASER A COLORANT.
La présente invention concerne un dispositif électrooptique de pilotage et de contrôle de la longueur d'onde et de la largeur spectrale d'émission d'un laser accordable. De manière plus précise, l'invention porte sur un système conçu pour être inséré dans la cavité d'un laser accordable et pour être commandé électriquement par une faible tension de commande pour réaliser un accord en longueur d'onde de la raie d'émission laser sur une plage spectrale étendue située dans un domaine de longueur d'onde allant de l'ultra-violet à l'infra-rouge. Le système est conçu pour assurer un accord en longueur d'onde suivant une loi de balayage en longueur d'onde quelconque et avec une vitesse qui
peut être élevée.
Les dispositifs habituels d'accord en longueur d'onde utilisés dans les lasers acordables tels que lasers à colorant continus sont des filtres biréfringents ou des filtres dispersifs qui assurent un changement de la longueur d'onde d'émission par rotation du filtre dans la cavité. L'avantage de ces systèmes réside dans leur configuration simple et dans la finesse de la raie d'émission qu'ils permettent d'obtenir. Un inconvénient est leur vitesse d'accord faible qui est limitée par l'inertie mécanique de ces systèmes. Un autre inconvénient réside dans l'impossibilité de changer de longueur d'onde de façon discontinue et de commuter d'une longueur d'onde à une autre sans passer par
les longueurs d'onde intermédiaires.
Un second type de systèmes d'accord en longueur d'onde comprend les systèmes acousto-optiques dans lesquels une onde acoustique est utilisée pour effectuer une variations de la longueur d'onde d'émission. Leur inconvénient est lié au fait qu'ils introduisent des pertes importantes, ce qui limite leur domaine d'utilisation aux lasers impulsionnels. Un autre inconvénient porte sur la plage spectrale d'accord de faible
étendue, de l'ordre de quelques angstr6ms.
Un troisième type de systèmes d'accord en longueur d'onde comprend les systèmes électro-optiques constitués par des cristaux électro-optiques. Différentes coupes de cristaux adaptées au balayage en longueur d'onde de laser accordable ont été proposées, par exemple coupe 45 Z, ou coupe 00Z avec champ électrique transverse. L'accord en longueur d'onde est alors réalisé à partir
d'une tension électrique appliquée sur les électrodes.
L'ineconvénient de ces configurations est de nécessiter des tensions de commande de plusieurs kilovolts qui limitent pour des raisons technologiques les plages spectrales d'accord à quelques angstr6ms. D'autres configurations telles que par exemple des cristaux de coupe X45 , ou 0 Z avec champ électrique longitudinal, ont été proposées. L'accord en longueur d'onde s'effectue par voie électrique et par inclinaison du système d'accord en longueur d'onde à l'intérieur de la cavité. Dans les configurations proposées Jusqu'à présent, les tensions de commande restent relativement élevées, de l'ordre de plusieurs centaines de volts pour la Rhodamine 6 G. L'ensemble de ces dispositifs nécessitent pour leur commande, des alimentations de puissancce d'autant plus sophistiquées et coûteuses que la plage spectrale d'accord est étendue et que la vitesse d'accord est élevée. De plus, des limitations supplémentaires peuvent être introduites, par exemple dans des systèmes comportant un cristal de coupe 00Z avec champ électrique longitudinal, par des résonances piézoélectriques qui rendent impossible tout changement de
longueur d'onde à des cadences audiofréquences.
Le principal objet de l'invention est de présenter un système électrooptique conçu pour être placé à l'intérieur de la cavité d'un laser accordable et optimisé pour permettre grâce à un signal électrique de commande, de contr8ler la longueur d'onde
d'émission et d'obtenir un changement de longueur d'onde.
L'invention a plus précisément pour objet de permettre l'utilisation de faibles tensions de commande, de l'ordre de 25 fois plus faibles que les autres systèmes connus, pour une largeur
de raie d'émission donnée.
Un autre objet de l'invention consiste à permettre un accord en longueur d'onde sur une plage spectrale étendue, de l'ordre de 400 A pour la Rhodamine 6G, et située dans un domaine
de longueur d'onde allant de l'ultra-violet à l'infra-rouge.
Un autre objet de l'invention réside dans la conception de l'appareil associant divers composants placés à l'intérieur de la cavité d'un laser à colorant et assemblés de telle sorte que l'accord en longueur d'onde pour l'ensemble de la plage spectrale soit effectué avec des tensions de commande faibles, de l'ordre de
quelques volts ou de quelques dizaines de volts.
Un autre objet de l'invention est de permettre l'accord en longueur d'onde par de faibles tensions de commande, suivant une
loi de balayage quelconque continue ou non.
Un autre objet de l'invention est de permettre des temps de commutation d'une longueur d'onde à une autre très brefs, de l'ordre de quelques dizaines de nanosecondes selon le type de
cavité utilisée.
Un autre objet de l'invention est de concevoir un appareil dont la configuration permette d'aJuster de façon simple la largeur spectrale d'émission tout en bénéficiant de tensions de
commande faibles.
Ces buts sont atteints grâce à un dispositif électro-
optiquepour aceorder la longueur d'onde d'un laser à colorant au moyen d'une faible tension de commande et sur une plage allant de l'ultraviolet à l'infra-rouge, caractérisé en ce qu'il comporte une tête active étanche insérée dans la cavité laser, présentant un axe optique aligné avec celui de la cavité et comprenant un ensemble d'au moins deux cristaux électro-optiques croisés de coupe x 45 ou y450, avec champ électrique transverse, orientés à 90 l'un de l'autre, ayant des lignes neutres situées à 45 du plan de polarisation de la lumière à l'intérieur de ladite t9te et présentant des longueurs différentes pour introduire, par biréfringence naturelle, un faible retard optique non nul B5K a1 2 / ( pa1 + a2) (en mm) adapté à la plage spectrale ( >1 22) balayée et à une largeur de raie d'émission donnée, >1\ et 2 étant les longueurs d'onde extrêmes de la plage à balayer et K étant un nombre entier ou voisin d'un entier qui détermine une largeur de raie d'émission, en ce que la tête active étanche comprend en outre un composant biréfringent passif dont la biréfringence naturelle contribue à augmenter ledit retard optique aJnon nul et à modifier ou ajuster ladite largeur de la raie d'émission, en ce
que ladite tête étanche comprend un liquide adaptateur d'indice-
dans lequel sont immergés lesdits cristaux et ledit composant biréfringent passif, et en ce que des moyens sont associés à la tête active pour appliquer sur les électrodes associées aux cristaux une tension-électrique ajustable qui induit un champ électrique perpendiculaire à l'axe optique de la cavité et, par induction d'une biréfringence supplémentaire électrique permet
l'accord en longueur d'onde de la cavité.
De façon plus particulière, ledit composant biréfringent passif est monté sur un support solidaire d'un organe extérieur d'ajustement de l'orientation dudit composant biréfringent autour d'un axe prédéterminé pour permettre un réglage de la largeur de
la raie d'émission.
Selon un mode de réalisation particulier, la tite active étanche comprend un ensemble de quatre cristaux électro-optiques de coupe X45 ou Y45 qui sont munis d'électrodes créant un champ électrique transverse, qui présentent des lignes neutres à 45 du plan de polarisation de la lumière à l'intérieur de la tête, qui ont des longueurs différentes pour introduire par biréfringence naturelle un faible retard optique A non nul, et qui sont répartis en une première paire de cristaux de nmme orientation et de longueurs voisines, mais dont les lignes neutres sont antiparallèles entre elles, et en une seconde paire de cristaux de longueurs voisines, dont les lignes neutres sont antiparallèles entre elles et qui sont orientés à 90 par
rapport aux cristaux de la première paire de cristaux.
De préférence, le retard A introduit par l'ensemble des cristaux électrooptiques est- compris entre environ 0,3Pm et
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2,57m. De même, le retard supplémentaire introduit par le composant biréfringent passif est compris entre environ 0,3ym et 2,53m. Avantageusement, la tête active comporte des fenêtres
inclinées à l'angle de Brewster.
Le changement de la longueur d'onde d'émission s'effectue par application d'une tension électrique sur la tête active. Le changement de longueur d'onde est quasi linéaire en fonction de la tension de la commande. Celleci est délivrée par un générateur basse tension ou produite par des signaux TTL ou par un ordinateur. La tête électro-optique peut également être pilotée par une boucle d'asservissement contrôlant la longueur d'onde d'émission du laser. Celle-ci est affichée à partir de la mesure de la tension appliquée sur la tête active ou par analyse spectrale du rayonnement intra-cavité prélevé dans la tête active
au moyen d'une fibre optique placée sur une réflexion spéculaire.
La présente invention élargit le champ d'utilisation des cristaux électrooptiques et des modulateurs électro-optiques transverses dans les applications basées sur un changement de longueur d'onde. Elle élargit également les applications pratiques des lasers à colorant et contribue donc à augmenter leur intérêt technique et économique. Le système d'accord en longueur d'onde peut être utilisé pour différents types d'applications chaque fois qu'un changement de longueur d'onde à une cadence élevée par exemple de l'ordre de 200 A/>:S et suivant une loi quelconque est recherché. Le système d'accord en longueur d'onde peut être utilisé dans la plupart des lasers à colorant commerciaux, dans leur configuration standard, avec des cavités à deux ou trois miroirs, et avec des lasers en anneau. Il peut être également utilisé avec d'autres types de lasers accordables, en particulier les diodes lasers à cavité externe. Les applications concernent la spectroscopie moléculaire, la spectroscopie intra-cavité, la métrologie, le traitement de signaux et les transmissions par
modulation de longueur d'onde.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
ressortiront de la description qui fait suite d'un mode
particulier de réalisation donné à titre d'exemple, en référence au dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 représente, en coupe longitudinale, un exemple de dispositif selon l'invention, avec une tête active placée dans la cavité d'un laser à colorant, - la figure 2 représente la tête active de la figure-1 vue en coupe transversale selon le plan II-II de la figure 1, et - la figure 3 représente la tête active de la figure 1 vue
en coupe transversale selon la ligne III-III de la figure 1.
Le bottier 1 contenant la tête active est placé dans la cavité d'un laser à colorant représentée par trois miroirs 4,5,6 et le milieu amplificateur laser 7 constitué par exemple par Rh 6G. Le bottier 1 contient quatre cristaux électro-optiques 9,10,11,12 de coupe X 450 ou Y 450 de longueurs différentes alignés selon l'axe de la tête. Le boîtier 1 est maintenu par un manchon 8 orientable en rotation axiale, azimutale et en site par des platines de rotation en site 14 et azimutale 24 montées sur
des platines en translation transversale 15 et verticale 23.
L'ensemble du dispositif mécanique d'orientation qui comprend les platines 15, 14, 23, 24, une équerre 22 et le manchon 8 est fixé sur la plateforme 16 de la cavité laser. Le bottier est fermé par deux fenêtres 2, 3 montées sur des Joints toriques 25 qui assurent l'étanchéité du bottier 1. Un contrôle de la puissance ou de la longueur d'onde d'émission est effectué sur la réflexion spéculaire produite par la fenêtre 3 d'entrée inclinée à l'angle
de Brewster, au moyen d'une fibre optique 27.
La tête active est formée par l'association de quatre cristaux électrooptiques 9,10,11,12 d'ADP coupés a X 45 ou Y 45 de longueurs différentes et placés dans un liquide adaptateur d'indice 26. Les cristaux 9 et 11, de même que les cristaux 10 et 12, sont orientés à 90 l'un de l'autre, et les cristaux adjacents 9 et 10, de même que les cristaux 11 et 12, sont orientés de manière que leurs lignes neutres soient antiparallèles. La disposition des cristaux 9,10,11,12 soutenus par un support 32 est telle que leurs lignes neutres sont orientées à du plan de polarisation 28 de la lumière à l'intérieur du bottier. Les électrodes 17,18,19,20 associées aux cristaux sont reliées par l'intermédiaire de fils de connexion 33à une source d'alimentation électrique 13. La longueur d'onde d'émission est affichable sur un afficheur 21 par mesure directe de la tension de commande. Les longueurs des cristaux 9,10,11,12 sont différentes de sorte qu'il en résulte, par biréfringenoe naturelle, un retard optique t prédéterminé en fonction de la plage spectrale (41 2) d'accord du laser et de la largeur spectrale de la raie
d'émission désirée.
La tâte active du dispositif selon l'invention est formée essentiellement d'un ensemble de cristaux électro-optiques 9,10,11,12 similaires aux cristaux constituant un modulateur électro-optique transverse, mais la structure de ce dernier est modifiée pour fonctionner non plus comme un modulateur d'intensité mais cormme un filtre spectral intra-cavité dont la courbe de transmission spectrale est réglable électriquement. A la différence des modulateurs électro-optiques transverses utilisés dans d'autres applications, la t9te active est ainsi conçue pour introduire, par biréfringence naturelle, un faible retard optique J prédéterminé non nul en fonction du laser à colorant utilisé. La valeur optique A sur laquelle est réglée la tête active optimise les tensions de commande et détermine la largeur spectrale de la raie d'émission. La valeur du retard optique sur lequel est réglée la tête active et le taux d'accord C (en A/V) sont respectivement: = K >t1 2 (0m) (1) et o = (A/V) (2) et2éanlelogusdoddao/2 1 et 2 étant les longueurs d'onde extremes de la plage à balayer, K étant un nombre entier ou demi-entier qui détermine la largeur de la raie d'émission et VWo/2 étant la tension demi-onde du système pour la longueur d'onde o. Par exemple, pour la Rhodamine 6G, les valeurs de A sont: 0,3mm; 0,6pm; 0,9pm; 1,2ym; etc... pour K= 1,2,3,4 etc.
Les largeurs de raie d'émission correspondantes sont de l'ordre de 10A, 8A, 2A, lA etc... Les taux d'accord correspondants sont alors de l'ordre deC( = 25 A/V, o o..DTD: 12 A/V, 8 A/Y, 6 A/V, etc... pour un système dont la tension demi-
onde est de 200V.
A titre d'exemple, il est possible d'utiliser quatre cristaux 9,10,11,12 d'ADP présentant respectivement les longueurs
suivantes = 15mm, 14mm, 26mm, 24mm.
L'adjonction d'une lame biréfringente 29 dont la biréfringence est aJustable mécaniquement assure le fonctionnement de la tête active avec des largeurs de raie d'émission aJustables, en modifiant la valeur de K. Dans la configuration présentée à la figure 3, le changement de la valeur du retard optique & est assuré par rotation de la lame 29 montée dans la monture 30 autour d'une ligne neutre, à l'aide de la platine de rotation 31 montée sur des joints d'étanchéité 25. Pour une rotation d'angle À, la valeur. du retard optique qui en résulte est: 2 n 2.n (1- 2) e (3) - 2.n 2 0 n e e étant l'épaisseur de la lame, n et n étant les indices o e
ordinaire et extraordinaire du cristal utilisé.
La tête active 1 est ainsi constituée par l'association de divers composants optiques biréfringents tels que lames biréfringentes 29 de coupe 0 Z et cristaux électro-optiques 8,9,10,11 de coupe X 45 ou Y 450 et dont les caractéristiques optiques et géométriques sont spéficiquement adaptées pour introduire une biréfringence naturelle t N prédéterminée. Cette configuration permet de travailler avec des cristaux de faible section alignés avec l'axe optique de la cavité et d'optimiser les tensions de commande. Un autre avantage réside dans e possibiliti de prérégler ou d'ajuster la largeur spectrale de la raie d'émission en règlant la biréfringence naturelle
résultant de l'association des différents composants optiques.
L'accord en longueur d'onde est obtenu par induction d'une biréfringence supplémentaire électrique en appliquant sur les électrodes 17, 18, 19, 20 des cristaux 9,10,11,12 une tension électrique qui induit un champ électrique perpendiculaire à l'axe
optique de la cavité.
Les cristaux électro-optiques 9,10,11,12 sont de préférence dimensionnés de manière à produire un retard b relativement faible, par exemple, pour la Rhodamine 6G, de l'ordre de 0,3pm ou 0,Gm tandis que la lame biréfringente 29 est dimensionnée et orientée de manière à produire un retard additionnel pouvant être, pour le même type de colorant, compris entre environ 0,3fm et 2,5ym. La lame 29, dont la biréfringence naturelle est modifiable mécaniquement par la platine de commande 31 fixée sur la tete étanche 1, prmet ainsi de régler la largeur de raie d'émission du laser en modifiant la valeur de K. L'épaisseur de la lame 29 par exemple en quartz peut être relativement faible, par exemple de l'ordre de I à 5 mm tout en permettant d'obtenir par exemple, pour la Rhodamine 6G, une largeur de raie d'émission pouvant aller d'une dizaine d'Angstr5ms à moins de un angstrôm. D'autres composants biréfringents passifs peuvent être utilisés à la place de la lame 29, par exemple des
compensateurs de Babinet ou de Soleil-Babinet.
L'adJonction d'un liquide adaptateur d'indice 26 c'est-à-
direprésentant un indice voisin de celui des cristaux 9,10,11,12, à l'intérieur de la tête active du système, assure un coefficient de transmission élevé, de l'ordre de 95%, et permet d'optimiser le seuil de pompage du laser. Pour la Rhodamine 6G pompée en régime continu par un laser à Argon, le seuil de pompage est de
l'ordre de 2 à 3W.
Dans la configuration présentée à la figure 1, la présence des deux fenêtres 3 d'entrée et de sortie inclinées à l'angle de Brewster, permet d'augmenter la sélectivité spectrale
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du dispositif et d;obtenir des eaies démission très fines tout en présentant l'avantage d'éviter la présence de polariseurs
intra-cavités, si nécessaire.
Bien que l'invention ait été décrite dans le cadre spécifique d'un laser à colorant à trois miroirs, et avec plusieurs exemples se référant à la Rhodamine 6G, l'invention ne se limite pas à ce type de configuration. Elle concerne également d'autres types de laser à colorant et de manière générale tout laser accordable dans lequel l'accord en longueur d'onde s'effectue par filtrage spectral des modes longitudinaux à
l'intérieur de la cavité.
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Claims (8)
1. Dispositif electrooptique pour accorder la longueur d'onde d'un laser à colorant au moyen d'une faible tension de commande et sur une plage allant de l'ultra-violet à l'infra-rouge, c a r a c t é r i s 4 en ce qu'il comporte une t6te active étanche (1) insérée dans la cavité laser, présentant un axe optique aligné avec celui de la cavité et comprenant un ensemble d'au moins deux cristaux électrooptiques (9,11) croisés de coupe x ou y115 0, avec champ électrique transverse, orientés à 90 l'un de l'autre, ayant des lignes neutres situées à du plan de polarisation (28) de la lumière à l'intérieur de ladite t9te et présentant des longueurs différentes pour introduire, par birefringence naturelle, un faible retard optique non nul A [ 1 A 2/ (<1 + 2) (en ym) " adapté à la plage spectrale ( A1 2) balayée et à une largeur de raie d'émission donnée, < 1 et A étant les longueurs d'onde extrgmes de la plage à balayer et K étant un nombre entier ou voisin d'un entier qui détermine une largeur de raie d'emission, en ce que la t9te active étanche (1) comprend en outre un composant biréfringent passif (29) dont la biréfringence naturelle contribue à augmenter ledit retard optique non nul et à modifier ou ajuster ladite largeur de la raie d'émission, en ce que ladite tête étanche (1) comprend un liquide adaptateur d'indice (26) dans lequel sont immergés lesdits cristaux (9,11) et ledit composant biréfringent passif (29), et en ce que des moyens (13,21) sont associés à la tête active (1) pour appliquer sur les électrodes 17,19) associées aux cristaux (9,11) une tension électrique aJustable qui induit un champ électrique perpendiculaire à l'axe optique de la cavité et, par induction d'une biréfringence supplémentaire électrique permet l'accord en
longueur d'onde de la cavité.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit composant biréfringent passif (29) est monté sur un support (30) solidaire d'un organe extérieur (31) d'ajustement de l'orientation dudit composant biréfringent autour d'un axe prédéterminé pour permettre un réglage de la largeur de la raie d'émission.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le composant biréfringent passif (29) est constitué par une lame
biréfringente de coupe 0 Z.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à
3, caractérisé en ce que la tête active étanche (1) comprend un ensemble de quatre cristaux électrooptiques (9,10,11,12) de coupe X45 ou Y450 qui sont munis d'électrodes (17,18,19,20) créant un champ électrique transverse, qui présentent des lignes neutres à 45 du plan de polarisation (28) de la lumière à l'intérieur de la tête (1), qui ont des longueurs différentes pour introduire par biréfringence naturelle un faible retard optique C non nul, et qui sont répartis en une première paire de cristaux (9,10) de même orientation et de longueurs voisines, mais dont les lignes neutres sont antiparallèles entre elles, et en une seconde paire de cristaux (11,12) de longueurs voisines, dont les lignes neutres sont antiparallèles entre elles et qui sont orientés à 90 par rapport aux cristaux (9,10) de la première paire de cristaux.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à
4, caractérisé en ce que le retard e introduit par l'ensemble des cristaux électrooptiques (9,10,11,12) est compris entre environ
0,3pm et 2,53m.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à
, caractérisé en ce que le retard supplémentaire introduit par le composant biréfringent passif(29) est compris entre environ O,3im
et 2,5pm.
7. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à
6, caractérisé en ce que la tete active (1) comporte des fenêtres
(3) inclinées à l'angle de Brewster.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à
7, caractérisé en ce qu'il comprend un système (21) de mesure de la tension d'alimentation de la tête active (1) pour assurer earutaedmaq el ap UOsqDUOJ ue UOTSTimpp apuop mnen2uoT ml op aq$ITqems e1 aaansse anod aelqsomaetq eluTaoue eun pueadmoo IT,nb @o ue esTioeaeo '6 L suoTeoTpuaAea sep enbuoolenb eunsl uolaes jqTsodTa ILL -anaqlUTpao OL no q&& xneu2Ts ep anaquaeueS anb laq (EL) uoTsuae asseq ap epuemmoo ep amaqs s un puaidmoo IT,nb ao ue esTaqoeaeo '6 e L suoTIeoTpue.aa sap enbuoolanb aunI uoies JTITSOasTG 0L aetuj ep aneaael el p lae apuop anatuoI el ep a2eqoTjjel anb euTe e ods Iao aszeue uos aa%0ed 50 qa asul 4uameuuoAea al aTTIITanoaa anod ([) zJTjo aa el ans eaxTj (La) enbIdo aJqTJ aeun puaadwoo ITnb eo ua easSTioeaeo IL L suo$eoTpueaaa sep anbuoolenb aun,a uolas j iqïsodr ^ epuop ananSuzî cT aï, a -.L
ú1 95L S Z
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