JP2007180264A - アレイ型半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザアレイに応力が発生することなく、アレイ型半導体レーザ装置を構成する部材間の隙間を均一化して信頼性の高い高出力アレイ型半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】ベース材１５上に応力緩和材１４を介して接合された半導体レーザアレイ１の幅を５ｍｍにする。半導体レーザアレイ１の幅を５ｍｍにすることで、反り量を５μｍとした場合であっても、半導体レーザアレイ１に発生する応力をゼロにできる。半導体レーザアレイ１に応力が発生することなく部材間の隙間が均一化され、半導体レーザアレイ１を均一に冷却できるので、寿命が長く信頼性の高いアレイ型半導体レーザ装置を得ることができる。
【選択図】図４

Description

この発明は、アレイ型半導体レーザ装置に関し、特に固体レーザ装置の励起や半導体レーザの直接加工等に用いられるアレイ型半導体レーザ装置に関する。

アレイ型半導体レーザ装置は、ベース材上に応力緩和材を介して接合された半導体レーザアレイを備えている。そして、半導体レーザアレイは、アレイ状に配置され、発光領域を有する複数個の半導体レーザ素子から構成されている。

半導体レーザアレイの電極表面には金等の金属蒸着が施されており、ＡｕＳｎ等の導電性の接合材を表面に有した応力緩和材の表面と２００〜３００℃の温度下で加熱合金化が行われ、半導体レーザアレイと応力緩和材との融合が達成される。

応力緩和材とベース材との間においても、半導体レーザアレイと応力緩和材との間の合金化と同様に、接合材を介して加熱接合される。

一般に、半導体レーザアレイは、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等を材料としている。例えば、ＧａＡｓは、約６．５×１０^-6／Ｋの線膨張率を有している。

また、ベース材は、熱伝導率、加工性及び価格等を考慮して、一般的には銅が使用され、約１７×１０^-6／Ｋの線膨張率を有している。

そのため、半導体レーザアレイとベース材を直接接合すると、線膨張率差に起因する大きな熱応力が半導体レーザアレイに発生し、脆弱なＧａＡｓからなる半導体レーザアレイは破壊される。

そこで、半導体レーザアレイとベース材の間には一般に応力緩和材を介在させている。応力緩和材の材料としてはＣｕＷ、ＣｕＭｏ等が用いられる。

半導体レーザアレイの面のうち、応力緩和材との接合面と反対側の面は、銅箔や、金線等によって、絶縁層上に形成された導体層に電気的に接合されている。

そして、ベース材と、絶縁層上の導体層とを電極とし、それら電極間に電圧を印加してある一定の電流を流すことにより、半導体レーザ素子からレーザビームを出射することができる。

また、応力緩和材及びベース材は、半導体レーザアレイに生じる熱を放散するヒートシンクとしても機能する。そして、半導体レーザアレイの複数の半導体レーザ素子全体で、高品質かつ高出力なレーザビームを得ることができる。

このようなアレイ型半導体レーザ装置においては、半導体レーザアレイの幅が１０ｍｍと長く、しかも厚さが１００μｍと薄いために、半導体レーザアレイ、及び応力緩和材双方において、高平面度を有する部材を作成することは困難である。

その結果、双方の部材に反りが生じる。このような反りを事実上無くすように加工することは、加工費が高価となり、量産品に対しては現実的ではない。

そして、反りを有する部材を接合すると、場所により部材間の隙間が均一ではなくなり、厚い部分と薄い部分が生じる。

アレイ型半導体レーザ装置を構成する部材間の接合には、一般的にはんだが用いられるが、はんだの熱伝導率は半導体レーザアレイ、応力緩和材、ベース材等と比較して小さいため、部材間の隙間の違いにより、各半導体レーザ素子の冷却が非均一となる。

つまり、隙間が厚い部分に対応する半導体レーザアレイの活性層の温度は高く、薄い部分に対応する活性層の温度は低くなる。

アレイ型半導体レーザ装置の寿命は、アレニウスの予測式（以下の式（１））で示されるように温度と相関があり、温度が上がると、寿命が短くなることが知られている。

アレイ型半導体レーザ装置の寿命 ∝ ｅ^E/kT ・・・（１）
ここで、Ｅ：活性エネルギー、ｋ：ボルツマン定数、 Ｔ：活性層の絶対温度である。

従って、部材の反りの影響により部材間の隙間が不均一になると、均一に隙間がある場合に比較して、アレイ型半導体レーザ装置は、温度が上昇して寿命が短くなる。

また、アレイ型半導体レーザの主要な用途の一つは、固体レーザ装置の励起である。そして、固体レーザ媒質の吸収スペクトルが狭いため、高効率な固体レーザ装置を得るには、半導体レーザアレイから出射されるレーザビームの波長を、前記吸収スペクトルに合わせる必要がある。

ここで、半導体レーザアレイから出射されるレーザビームの波長は、活性層の温度が高くなると長波長になることが知られている。そのため、部材間の隙間が均一でないと、レーザビームの波長が均一でなくなり、波長の幅が広くなる。

レーザビームの波長の幅が広くなると、固体レーザ媒質の吸収スペクトルに合わせることが困難となり、高効率な固体レーザ装置を得ることが困難となる。

以上の問題を解決するために、アレイ型半導体レーザ装置を構成する部材間の接合時には、部材間を加圧しながら接合して、部材間の不均一な隙間を均一化している。

ここで、部材の反りを抑えて部材間の隙間を均一化するには、加圧量を上げる必要がある。そして、加圧量を上げて接合すると、半導体レーザアレイには、高い応力が発生する。

アレイ型半導体レーザ装置の寿命は、温度ばかりでなく、半導体レーザアレイに発生する応力によっても短くなることが知られている。そのため、隙間を均一化するために、加圧量を上げて接合すると、アレイ型半導体レーザ装置の寿命が短くなるという問題を生じる。

そこで、非特許文献１に記載の発明では、半導体レーザアレイの幅を６．４ｍｍに形成し、反り量を低減した半導体レーザ装置が開示されている。

半導体レーザアレイの反り量は、例えば各層の熱膨張の差に起因する場合、理想的には幅の長さの２乗に比例した量となるため、半導体レーザアレイの幅を１０ｍｍから６．４ｍｍにすることで反り量を低減することができる。

反り量を低減すると、部材間の接合時の加圧量を低減でき、半導体レーザアレイに発生する応力を低減できる。

"Cooling of SIRILAS 30W High Power Laser Diode SPL LG81 Application Note Jan.2005"、[online]、[平成１７年１１月１日検索]、インターネット＜URL:http://catalog.osram-os.com/media/_en/Graphics/00018321_0.pdf＞

しかしながら、半導体レーザアレイの幅を６．４ｍｍとした場合であっても、隙間を均一化するために必要な加圧量はまだ大きく、半導体レーザアレイに発生する応力を十分低くすることは難しいという問題があった。

また一般的な半導体レーザアレイの幅が１０ｍｍであるので、互換性が無くなるとともに、同じ出力を得るためには、電流密度を上げる必要があり、そのため寿命が短くなるという問題があった。

そこで本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、半導体レーザアレイに応力が発生することなく、アレイ型半導体レーザ装置を構成する部材間の隙間を均一化して信頼性の高い高出力アレイ型半導体レーザ装置を提供することである。

請求項１に記載のアレイ型半導体レーザ装置は、ベース材と、前記ベース材上に接合され、直線状に配列された複数の半導体レーザ素子を有する半導体レーザアレイと、を備えるアレイ型半導体レーザ装置であって、前記半導体レーザアレイの幅は、５ｍｍ以下であることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、半導体レーザアレイの幅を５ｍｍ以下にしているので、半導体レーザアレイの反り量を５μｍにした場合であっても、半導体レーザアレイに発生する応力をゼロにできる。

半導体レーザアレイの反り量は５μｍであるので、半導体レーザアレイとベース材間の隙間はほぼ均一化され、さらに半導体レーザアレイには応力が発生しないので、信頼性の高いアレイ型半導体レーザ装置を得ることができる。

＜実施の形態１＞
＜Ａ．全体構成＞
まず、一般的なアレイ型半導体レーザ装置の構成について図１から３を参照して説明する。図１は、一般的なアレイ型半導体レーザ装置の構成を示す斜視図である。

ベース材１５上に応力緩和材１４が接合されている。そして応力緩和材１４上には、接合材１３を介して半導体レーザアレイ１が接合されている。すなわち、半導体レーザアレイ１は、応力緩和材１４を介してベース材１５上に接合されている。

半導体レーザアレイ１は、直線状に配列された複数の半導体レーザ素子２から構成されている。夫々の半導体レーザ素子２は、下方にレーザ光を発光する発光領域１１を備えている。

ベース材１５上には、半導体レーザアレイ１に隣接して絶縁層１６が配置され、絶縁層１６上には導体層１７が設けられている。

半導体レーザアレイ１の上部には接合部１９が設けられており、ワイヤ２０を介して導体層１７の接合部２１に接合されている。

図２は、一般的な半導体レーザアレイ１の構成を示す斜視図である。図２において、半導体レーザアレイ１は、例えば１９個あるいは４９個といった複数の半導体レーザ素子２を直線状に配列した構造であり、一般的には例えば、幅約１０ｍｍ、共振器長１ｍｍ、厚さ１００μｍのような大きさである。

ここで、図２に示した半導体レーザアレイ１は、図１に図示された半導体レーザアレイ１とは上下が逆に図示されており、応力緩和材１４上への接合時には、図１に示すように発光領域１１が下方に位置するように接合される。

次に、図３を参照して、半導体レーザアレイ１の構造について説明する。図３は、半導体レーザアレイ１の構造を示す拡大斜視図である。半導体基板４上に、バッファ層５が形成されている。バッファ層５上には、活性層６が形成されている。活性層６上には、クラッド層７が形成されている。そして、クラッド層７上にはコンタクト層８が形成され、コンタクト層８上にはｐ電極９が形成されている。活性層６には発光領域１１が形成されている。そして、半導体基板４のバッファ層５が形成された面と反対側の面にはｎ電極１０が形成されている。

活性層６、クラッド層７、コンタクト層８及びｐ電極９は、特性分離溝１８によって区切られ、電気的に絶縁されている。そして特性分離溝１８によって区切られた領域が一つの半導体レーザ素子２に対応している。

半導体基板４は例えばＧａＡｓからなり、この半導体基板４上にバッファ層５、活性層６、クラッド層７及びコンタクト層８を結晶成長させて積層するため、これらを総合して、成長層と呼ぶ。成長層の厚さは数ミクロンと非常に薄い。

なお、図３も図２と同様に、図１の半導体レーザアレイ１とは上下が逆に図示されている。

次に、本実施の形態１に係るアレイ型半導体レーザ装置の構成について説明する。図４は、本実施の形態１に係るアレイ型半導体レーザ装置の構成を示す概略正面図である。

図４において、半導体レーザアレイ１が、応力緩和材１４を介して、ベース材１５上に接合されている。

応力緩和材１４は、接合材１３によりベース材１５上に接合されている。また、半導体レーザアレイ１は、図示しない接合材により応力緩和材１４上に接合されている。

半導体レーザアレイ１の幅は、前述したように、一般的には１０ｍｍ程度であるが、本実施の形態１に係る半導体レーザアレイ１の幅は、５ｍｍとなっている。

その他の構成は、一般的なアレイ型半導体レーザ装置の構成と同様であるので詳細な説明は省略する。

＜Ｂ．動作＞
次に、以上のように構成されたアレイ型半導体レーザ装置の動作について説明する。

ｐ電極９を陽極、ｎ電極１０を陰極として両電極間に順方向に電圧を印加することによって電流を流すと、各半導体レーザ素子２における活性層６の発光領域１１からレーザビームが出射される。

＜Ｃ．効果＞
次に、図５を参照して、半導体レーザアレイ１に発生する応力について説明する。

図５は、半導体レーザアレイ１の幅と、接合時の加圧により半導体レーザアレイ１に発生する応力の相関を示す図である。

図５は、半導体レーザアレイ１の反り量が５μｍとなるように加圧したときに、半導体レーザアレイ１に発生する応力を示している。ここで、反り量は、半導体レーザアレイ１底面の中心位置に対する、半導体レーザアレイ１底面の端の高さＡ（図４参照）に対応している。

また、図５は、１０ｍｍの幅の半導体レーザアレイ１は反り量が２０μｍであり、反り量は幅の２乗に比例して大きくなるものと仮定した場合の計算結果を示している。

図５に示すように、半導体レーザアレイ１の幅を５ｍｍ以下にすることで、半導体レーザアレイ１の反り量を５μｍとした場合であっても、半導体レーザアレイ１に発生する応力をゼロにすることができる。

本実施の形態１に係るアレイ型半導体レーザ装置は、半導体レーザアレイ１の幅を５ｍｍにしているので、半導体レーザアレイ１の反り量を５μｍにした場合であっても、半導体レーザアレイ１に発生する応力をゼロにできる。

半導体レーザアレイ１の反り量は５μｍであるので、半導体レーザアレイ１とベース材１５間の隙間はほぼ均一化され、さらに半導体レーザアレイ１には応力が発生しないので、信頼性の高いアレイ型半導体レーザ装置を得ることができる。

本実施の形態１に係るアレイ型半導体レーザ装置は、半導体レーザアレイ１が応力緩和材１４を介してベース材１５上に接合されている。そのため、半導体レーザアレイ１とベース材１５との間に大きな熱膨張率差があっても、半導体レーザアレイ１に熱応力が発生するのを抑制し、信頼性の高いアレイ型半導体レーザ装置を得ることができる。

なお、本実施の形態１に係るアレイ型半導体レーザ装置では、半導体レーザアレイ１の幅を５ｍｍとしたが、図５の結果から明らかなように、５ｍｍより小さい場合であっても、同様の効果を得ることができる。

＜実施の形態２＞
＜Ａ．構成＞
図６は、本実施の形態２に係るアレイ型半導体レーザ装置を示す概略正面図である。

実施の形態１に係るアレイ型半導体レーザ装置では、応力緩和材１４を介して半導体レーザアレイ１がベース材１５上に接合されていたが、本実施の形態２に係るアレイ型半導体レーザ装置では、接合材１３を介して半導体レーザアレイ１がベース材１３上に直接接合されている。

ここで、接合材１３は、インジウムはんだのようにソフトソルダを用い、応力緩和材の効果を兼ねている。

その他の構成は、実施の形態１と同様であり、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

＜Ｂ．動作＞
本実施の形態２に係るアレイ型半導体レーザ装置の動作は、実施の形態１と同様であるため説明は省略する。

＜Ｃ．効果＞
以上から、実施の形態１と同様に、半導体レーザアレイ１の幅が５ｍｍであるので、半導体レーザアレイ１の反り量を５μｍにした場合であっても、半導体レーザアレイ１に発生する応力をゼロにできる。

その結果、半導体レーザアレイ１に応力が発生することなく部材間の隙間が均一化され、寿命が長く信頼性の高いアレイ型半導体レーザ装置を得ることができる。

また、本実施の形態２に係るアレイ型半導体レーザ装置は、応力緩和材１４を用いていないので、部品点数を少なくでき製造コストを下げることができる。

＜実施の形態３＞
＜Ａ．構成＞
図７は、本実施の形態３に係るアレイ型半導体レーザ装置を示す概略正面図である。

実施の形態１では、半導体レーザアレイ１の幅のみ５ｍｍとしたが、本実施の形態３では、応力緩和材１４の幅も、半導体レーザアレイ１の幅と同等あるいは少し長めに構成されている。応力緩和材１４の幅は、例えば５．５ｍｍである。

その他の構成は、実施の形態１と同様であり、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

＜Ｂ．動作＞
本実施の形態３に係るアレイ型半導体レーザ装置の動作は、実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。

＜Ｃ．効果＞
本実施の形態３に係るアレイ型半導体レーザ装置は、応力緩和材１４の幅を５．５ｍｍとしているので、応力緩和材１４の反り量も小さくできる。

そのため、応力緩和材１４とベース材１５との間の隙間も小さくかつほぼ均一にでき、半導体レーザアレイ１の冷却をより均一化に行うことができる。

その結果、実施の形態１のアレイ型半導体レーザ装置に比べてさらに寿命が長く、信頼性の高いアレイ型半導体レーザ装置を得ることができる。

また、図８に示すように、応力緩和材１４が図７の場合と逆方向に反った場合であっても、応力緩和材１４の反り量を小さくできるので、半導体レーザアレイ１と応力緩和材１４間、応力緩和材１４とベース材１５間の隙間を小さくほぼ均一にできる。

その結果、寿命が長く、信頼性の高いアレイ型半導体レーザ装置を得ることができる。

なお、応力緩和材１４の幅は、半導体レーザアレイ１の幅より少なくとも０．５ｍｍ大きければよい。これ以下にすると、応力緩和材１４による半導体レーザアレイ１の端面での応力緩和効果がそがれるため、応力緩和材１４の幅は半導体レーザアレイ１の幅より少なくとも０．５ｍｍ大きくする必要がある。

＜実施の形態４＞
＜Ａ．構成＞
実施の形態１では、一つのベース材１５に対して一つの半導体レーザアレイ１を接合する場合について示したが、本実施の形態４では、図９に示すように一つのベース材１５に対して複数（図の例では二つ）の半導体レーザアレイ１を接合している。夫々の半導体レーザアレイ１の幅は５ｍｍである。

その他の構成は、実施の形態１と同様であり、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

＜Ｂ．動作＞
本実施の形態４に係るアレイ型半導体レーザ装置の動作は、実施の形態１と同様であるため説明は省略する。

＜Ｃ．効果＞
本実施の形態４に係る半導体レーザアレイ装置は、実施の形態１と同様に、半導体レーザアレイ１と応力緩和材１４間の隙間を小さく均一にした場合であっても、半導体レーザアレイ１に発生する応力をゼロにでき、寿命が長く信頼性の高いアレイ型半導体レーザ装置を得ることができる。

一般的な半導体レーザアレイの幅が１０ｍｍであるので、互換性が無くなるとともに、同じ出力を得るためには、電流密度を上げる必要があり、そのため寿命が短くなるという問題があった。

本実施の形態４に係る半導体レーザアレイ装置では、幅が５ｍｍの半導体レーザアレイ１を二つ備えている。

そのため、幅が１０ｍｍの半導体レーザアレイ１と同じ電流密度で同等の出力を得るために、電流密度を上げる必要がない。その結果、一般的な半導体レーザアレイ装置と互換性を保持しつつ、長寿命で信頼性の高い半導体レーザアレイ装置を得ることができる。

なお、図１０に示すように、５．５ｍｍ程度の幅の応力緩和材１４を二つ用意し、夫々の応力緩和材１４に幅５ｍｍの半導体レーザアレイ１を接合するようにしてもよい。

即ち、複数（図１０の例では２つ）の半導体レーザアレイが、夫々個別の応力緩和材１４を介してベース材１５上に接合されてもよい。

半導体レーザアレイ１を夫々個別の５．５ｍｍ程度の幅の応力緩和材１４を介してベース板上に接合することで、応力緩和材１４とベース材１５間の隙間を小さくすることができ、さらに寿命が長く、信頼性の高いアレイ型半導体レーザ装置を得ることができる。

さらに、図１１に示すように、幅５ｍｍの半導体レーザアレイ１を二つベース材１５上に直接接合してもよい。応力緩和材１４を用いない場合であっても、幅が１０ｍｍの半導体レーザアレイ１を備える半導体レーザアレイ装置と同じ電流密度で同等の出力を、長寿命で得ることができる。

＜実施の形態５＞
＜Ａ．構成＞
実施の形態４では、一つのベース材１５に対して二つ半導体レーザアレイ１を接合したアレイ型半導体レーザ装置について説明したが、本実施の形態５においては、図１２に示すように、半導体レーザアレイ１の幅をさらに短くして、一つのベース材１５に対して三つの半導体レーザアレイ１を接合している。

その他の構成は、実施の形態４と同様であり、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

＜Ｂ．動作＞
本実施の形態５に係るアレイ型半導体レーザ装置の動作は、実施の形態１と同様であるため説明は省略する。

＜Ｃ．効果＞
本実施の形態５に係るアレイ型半導体レーザ装置では、実施の形態４に係る半導体レーザアレイ装置に比べて、半導体レーザアレイ１の幅をさらに短くし、一つのベース材１５に対して、さらに多くの半導体レーザアレイ１を接合している。

半導体レーザアレイ１の幅が短いほど、半導体レーザアレイ１の反り量は小さくなるため、半導体レーザアレイ１と応力緩和材１４間の隙間をさらに小さくできる。

そのため、さらに長寿命で信頼性の高い半導体レーザアレイ装置を得ることができる。

また、三つの半導体レーザアレイ１の全体の幅を１０ｍｍとすることで、幅が１０ｍｍの半導体レーザアレイ１と同じ電流密度で同等の出力を得るために、電流密度を上げる必要がなくなる。その結果、一般的な半導体レーザアレイ装置と互換性を保持しつつ、長寿命で信頼性の高い半導体レーザアレイ装置を得ることができる。

なお、図１３に示すように、複数（図１３の例では三つ）の応力緩和材１４を用意し、夫々の応力緩和材１４に個別に半導体レーザアレイ１を接合するようにしてもよい。

複数の幅の小さな応力緩和材１４を用いることで、応力緩和材１４とベース材１５間の隙間を小さくすることができ、さらに寿命が長く、信頼性の高いアレイ型半導体レーザ装置を得ることができる。

さらに、図１４に示すように、三つの半導体レーザアレイ１をベース材１５上に直接接合してもよい。応力緩和材１４を用いない場合であっても、半導体レーザアレイ１とベース材１５間の隙間が小さいので、寿命が長く、信頼性の高いアレイ型半導体レーザ装置を得ることができる。

実施の形態１に係る一般的なアレイ型半導体レーザ装置の構成を示す斜視図である。 実施の形態１に係る一般的な半導体レーザアレイの構成を示す斜視図である。 実施の形態１に係る一般的な半導体レーザアレイの構造を示す拡大斜視図である。 実施の形態１に係るアレイ型半導体レーザ装置の構成を示す概略正面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザアレイの幅と、接合時の加圧により半導体レーザアレイに発生する応力の相関を示す図である。 実施の形態２に係るアレイ型半導体レーザ装置を示す概略正面図である。 実施の形態３に係るアレイ型半導体レーザ装置を示す概略正面図である。 実施の形態３に係るアレイ型半導体レーザ装置を示す概略正面図である。 実施の形態４に係るアレイ型半導体レーザ装置を示す概略正面図である。 実施の形態４に係るアレイ型半導体レーザ装置を示す概略正面図である。 実施の形態４に係るアレイ型半導体レーザ装置を示す概略正面図である。 実施の形態５に係るアレイ型半導体レーザ装置を示す概略正面図である。 実施の形態５に係るアレイ型半導体レーザ装置を示す概略正面図である。 実施の形態５に係るアレイ型半導体レーザ装置を示す概略正面図である。

符号の説明

１ 半導体レーザアレイ、２ 半導体レーザ素子、４ 半導体基板、５ バッファ層、６ 活性層、７ クラッド層、８ コンタクト層、９ ｐ電極、１０ ｎ電極、１１ 発光領域、１３ 接合材、１４ 応力緩和材、１５ ベース材、１６ 絶縁層、１７ 導体層。

Claims (5)

1. ベース材と、
   前記ベース材上に接合され、直線状に配列された複数の半導体レーザ素子を有する半導体レーザアレイと、
   を備えるアレイ型半導体レーザ装置であって、
   前記半導体レーザアレイの幅は、５ｍｍ以下であることを特徴とするアレイ型半導体レーザ装置。
2. 複数の前記半導体レーザアレイを備えることを特徴とする請求項１に記載のアレイ型半導体レーザ装置。
3. 前記半導体レーザアレイは、応力緩和材を介して前記ベース材上に接合されることを特徴とする請求項１又は２に記載のアレイ型半導体レーザ装置。
4. 複数の前記半導体レーザアレイを備え、
   前記複数の半導体レーザアレイは、夫々個別の応力緩和材を介して前記ベース材上に接合されることを特徴とする請求項１に記載のアレイ型半導体レーザ装置。
5. 前記応力緩和材の幅は、前記半導体レーザアレイの幅より少なくとも０．５ｍｍ大きいことを特徴とする請求項３又は４に記載のアレイ型半導体レーザ装置。
   

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