JP2008250184A - Fiber light source apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はファイバ光源装置、特に詳細には、光源から発せられた光を一旦光ファイバにおいて伝搬させた後に、該光ファイバから射出する構造を有するファイバ光源装置に関するものである。 The present invention relates to a fiber light source device, and more particularly to a fiber light source device having a structure in which light emitted from a light source is once propagated in an optical fiber and then emitted from the optical fiber.
従来、通信等の広範な分野において、レーザ光等の光の伝搬用に光ファイバが広く利用されている。この光ファイバは、例えば特許文献1に示されているように、その端部がフェルールと称される筒状の保持部品内に固定保持され、このフェルールごと光ファイバが取り扱われることが多い。上記フェルールはガラスや金属等から形成され、その内部に光ファイバ端部を固定する際には、該フェルールの内周面と、素線状態とされた光ファイバのクラッド外周面とが接着固定されるのが一般的である。
Conventionally, optical fibers have been widely used for propagation of light such as laser light in a wide range of fields such as communication. For example, as shown in
また例えば特許文献2に記載が有るように、上述のような光ファイバとレーザ装置等の光源と組み合わせてなるファイバ光源装置が公知となっている。このファイバ光源装置は基本的に、半導体レーザや固体レーザ等の光源と、この光源から発せられた光を集光する集光光学系と、集光された光を入射端面から受け入れて伝搬させ、出射端面から出射させる光ファイバとから構成されたものである。
For example, as described in
この光源装置におけるように、レーザ光等の比較的高パワーの光を集光して光ファイバの入射端面(より詳しくはコアの入射端面)に照射すると、特にその光が短波長領域の光である場合、空気中に含まれる有機物質により入射端面に汚染が生じやすいという問題が認められている。この汚染の問題を防止するために、従来、特許文献3に示されているように、光ファイバの入射端面に、一般にスタブと称される透明部材を当接させておくことが提案されている。そのような構造においては、光の収束位置となる光ファイバの入射端面上では光のパワー密度が高くなるが、この光ファイバの入射端面はスタブによって空気と隔絶される。その一方、空気と触れるスタブの入射端面上では、収束しつつある比較的ビーム径の大きい光が通過することになるので、該端面上の光のパワー密度は比較的低くなる。以上の点から、光ファイバの入射端面もまたスタブの入射端面も、空気中に含まれる有機物質によって汚染し難くなる。
上述のように光ファイバ端部をフェルール内に接着固定した構造においては、使用を重ねるうちに光ファイバ端部がフェルールから突出して来るという問題が認められる。これは、両者を接着固定している接着剤が劣化することに起因していると考えられる。 As described above, in the structure in which the end portion of the optical fiber is bonded and fixed in the ferrule, there is a problem that the end portion of the optical fiber protrudes from the ferrule during repeated use. This is considered to be due to the deterioration of the adhesive that bonds and fixes the two.
図3は以上の問題を分かりやすく示すものである。ここに示すようにコア10aおよびその周囲に配されたクラッド10bからなる光ファイバ10の一端面(入射端面)10cに近い部分の周面が、接着剤層5によって円筒状のフェルール12の内周面に固定保持されている。正常の状態は同図(1)に示す通りであるが、接着剤層5が劣化して光ファイバ10の動きを許してしまうと、同図(2)に示すように光ファイバ10の先端部がフェルール12から突出してしまう。劣化した接着剤層5は、フェルール12が透明なガラス等からなるものである場合は、外側から黄変部として認められる。
FIG. 3 shows the above problem in an easy-to-understand manner. As shown here, the peripheral surface of the portion near the one end face (incident end face) 10c of the
このような現象が前述のスタブを有するファイバ光源装置において起きると、光ファイバとオプティカルコンタクトで接続しているスタブとの間で光の伝搬損が生じる等の問題を招く。 When such a phenomenon occurs in the above-described fiber light source device having a stub, problems such as a light propagation loss occur between the optical fiber and a stub connected by an optical contact.
また、上記のスタブを有するファイバ光源装置においては、特殊なスタブを使用するためにコストが高くなりがちであるという問題も認められている。 Moreover, in the fiber light source device having the above stub, there is a problem that the cost tends to be high because a special stub is used.
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、フェルール等の保持部材と光ファイバとを接着固定している接着剤の劣化を防止でき、また光ファイバの入射端面の汚染も防止可能で、しかも低コストで作製することができるファイバ光源装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and can prevent deterioration of an adhesive that adheres and fixes a holding member such as a ferrule and an optical fiber, and can also prevent contamination of an incident end face of the optical fiber. And it aims at providing the fiber light source device which can be produced at low cost.
本発明による第1のファイバ光源装置は、前述したように、
光源と、
この光源から発せられた光を集光する集光光学系と、
集光された前記光を入射端面から受け入れて伝搬させ、出射端面から出射させる光ファイバと、
この光ファイバの入射端面に近い部分の外周面が接着されて、該光ファイバを保持するフェルール等の筒状の保持部材とを備えてなるファイバ光源装置において、
前記光ファイバよりも大口径の光ファイバが、その出射端面が前記入射端面に接する状態にして前記筒状の保持部材内に配設され、
前記2つの光ファイバの各外周面と前記保持部材とが、前記光に対する透過率が28%/mm以上である接着剤によって接着され、
前記光ファイバの出射端面に、該端面に接触する他の光学部材との接着を抑止する保護膜体が形成されていることを特徴とするものである。
As described above, the first fiber light source device according to the present invention is as follows.
A light source;
A condensing optical system for condensing the light emitted from the light source;
An optical fiber for receiving and propagating the collected light from the incident end face and emitting from the exit end face;
In a fiber light source device comprising a cylindrical holding member such as a ferrule to which the outer peripheral surface of the portion near the incident end face of the optical fiber is bonded and holding the optical fiber,
An optical fiber having a diameter larger than that of the optical fiber is disposed in the cylindrical holding member in a state in which an exit end face thereof is in contact with the entrance end face,
Each outer peripheral surface of the two optical fibers and the holding member are bonded by an adhesive having a light transmittance of 28% / mm or more,
A protective film body that suppresses adhesion with another optical member that contacts the end face is formed on the exit end face of the optical fiber.
また、本発明による第2のファイバ光源装置は、上記の同様の光源と、集光光学系と、光ファイバと、保持部材とを備えてなるファイバ光源装置において、
前記光ファイバが、前記光の収束位置に対して入射端面が光軸方向にずれた状態に配置され、
前記光ファイバの外周面と前記保持部材とが、前記光に対する透過率が28%/mm以上である接着剤によって接着され、
前記光ファイバの出射端面に、該端面に接触する他の光学部材との接着を抑止する保護膜体が形成されていることを特徴とするものである。
A second fiber light source device according to the present invention is a fiber light source device comprising the same light source as described above, a condensing optical system, an optical fiber, and a holding member.
The optical fiber is disposed in a state where the incident end face is displaced in the optical axis direction with respect to the light convergence position,
The outer peripheral surface of the optical fiber and the holding member are bonded by an adhesive having a light transmittance of 28% / mm or more,
A protective film body that suppresses adhesion with another optical member that contacts the end face is formed on the exit end face of the optical fiber.
なお本発明のファイバ光源装置は、前述したように集光された光を入射端面から受け入れて伝搬させる光ファイバとして、マルチモード光ファイバが適用されていることを前提として構成されることが特に望ましい。 The fiber light source device of the present invention is particularly preferably configured on the assumption that a multi-mode optical fiber is applied as an optical fiber for receiving and propagating the condensed light from the incident end face as described above. .
さらに本発明のファイバ光源装置は、光源として波長450nm以下の光を発するものが適用されていることを前提として構成されることが特に望ましい。 Furthermore, the fiber light source device of the present invention is particularly preferably configured on the assumption that a light source that emits light having a wavelength of 450 nm or less is applied.
また本発明のファイバ光源装置は、前記接着剤の屈折率が、該接着剤が接する光ファイバのクラッドの屈折率より大であることを前提として構成されることが特に望ましい。 The fiber light source device of the present invention is particularly preferably configured on the assumption that the refractive index of the adhesive is larger than the refractive index of the clad of the optical fiber with which the adhesive is in contact.
本発明者の研究によると、光ファイバとフェルールとを接着固定している接着剤が劣化するという前述の問題は、主に光ファイバの端面で散乱した光がこの接着剤の部分に照射されることによって起きていることが判明した。 According to the inventor's research, the above-mentioned problem that the adhesive that bonds and fixes the optical fiber and the ferrule deteriorates is mainly caused by the light scattered on the end face of the optical fiber being irradiated onto the adhesive portion. It turned out to be happening.
すなわち、上述の接着剤としては一般に熱硬化型のものが多く使用され、硬化した接着剤層には、接着の際に受けた熱応力が残留しやすい。この状態でファイバ光源装置が使用されて接着剤層に前述のような光が照射されると、そのとき熱も加わるので、その熱によって残留応力が解放されて接着剤層が動いてしまい、その結果光ファイバが保持部材から突出してしまうと考えられる。従来は、光ファイバと保持部材とを接着固定する接着剤として、導波する光に対する吸収率が90%以上のものが多く用いられて来たので、以上説明した不具合が発生しやすくなっている。例えば、通信等で標準的に用いられているエポテック社製の熱硬化接着剤353NDは、図12に示す通り、約600nm以下の波長の光をほぼ100%吸収する。また同社製熱硬化接着剤314は、図13に示す通り、約400nm以下の波長の光をほぼ100%吸収する。 That is, as the above-mentioned adhesive, a thermosetting type is generally used in many cases, and the thermal stress received during the bonding tends to remain in the cured adhesive layer. In this state, when the fiber light source device is used and the adhesive layer is irradiated with light as described above, heat is also applied at that time, so the residual stress is released by the heat and the adhesive layer moves, As a result, it is considered that the optical fiber protrudes from the holding member. Conventionally, as the adhesive for adhering and fixing the optical fiber and the holding member, those having an absorption rate of 90% or more with respect to the guided light have been often used. . For example, as shown in FIG. 12, the thermosetting adhesive 353ND manufactured by Epotec Co., Ltd., which is used as a standard in communications, absorbs almost 100% of light having a wavelength of about 600 nm or less. Further, as shown in FIG. 13, the company's thermosetting adhesive 314 absorbs almost 100% of light having a wavelength of about 400 nm or less.
なお、接着剤が熱硬化型のものではない場合も、上述のような光が照射されることによって接着剤が光化学的に劣化したり、熱によって劣化したりして、光ファイバの突出を招くことがある。 Even when the adhesive is not a thermosetting type, the adhesive is photochemically deteriorated by being irradiated with light as described above, or is deteriorated by heat, leading to the protrusion of the optical fiber. Sometimes.
本発明による第1および第2のファイバ光源装置は、この新しい知見に基づいて得られたものであり、光ファイバを導波する光に対する透過率が28%/mm以上である接着剤によって該光ファイバ(特に第1のファイバ光源装置においては、それに加えて大口径の光ファイバも)と保持部材とが接着されているので、硬化している接着剤層が極めて光を吸収し難くなっている。そこで、接着剤層が光を吸収して熱等によって劣化することが起こり難くなり、よって光ファイバが動いてしまうことが効果的に防止される。 The first and second fiber light source devices according to the present invention are obtained based on this new knowledge, and the light is transmitted by an adhesive having a transmittance of 28% / mm or more for light guided through the optical fiber. Since the fiber (particularly, in the first fiber light source device, in addition to the large-diameter optical fiber) and the holding member are bonded to each other, the cured adhesive layer is extremely difficult to absorb light. . Accordingly, it is difficult for the adhesive layer to absorb light and deteriorate due to heat or the like, so that the optical fiber is effectively prevented from moving.
なお、以上説明した接着剤の劣化は、そこに照射される光のエネルギーが高いほどより起きやすくなる。光ファイバが特にマルチモード光ファイバである場合はシングルモード光ファイバと比べて一般に高出力の光が入力されることが多く、また波長450nm以下の比較的短波長の光はそれ自体、長波長の光よりも高エネルギー状態にある。したがって、このようにマルチモード光ファイバが適用されたファイバ光源装置や、導波する光の波長が450nm以下であるファイバ光源装置に本発明が適用された場合は、接着剤の劣化を防止する効果がより顕著なものとなる。 Note that the deterioration of the adhesive described above is more likely to occur as the energy of the light applied thereto increases. In particular, when the optical fiber is a multimode optical fiber, in general, high-power light is often input compared to a single-mode optical fiber, and light having a relatively short wavelength of 450 nm or less itself has a long wavelength. It is in a higher energy state than light. Therefore, when the present invention is applied to a fiber light source device to which a multimode optical fiber is applied in this way or a fiber light source device in which the wavelength of guided light is 450 nm or less, the effect of preventing the deterioration of the adhesive Becomes more prominent.
他方、光ファイバと保持部材とを接着固定している接着剤の屈折率が、該接着剤が接するクラッドの屈折率より大である場合は、光ファイバの入射端面で散乱した光が接着剤の層を導波モードで伝搬することがある。このように接着剤層を光が導波する場合は、そこに単純に光が照射される場合と比べて、接着剤層はより大きいエネルギーを受けることとなる。したがって、このように接着剤の屈折率が、該接着剤が接するクラッドの屈折率より大になっているファイバ光源装置に本発明が適用された場合は、接着剤の劣化を防止する効果がより顕著なものとなる。 On the other hand, when the refractive index of the adhesive that bonds and fixes the optical fiber and the holding member is larger than the refractive index of the clad that the adhesive contacts, the light scattered on the incident end face of the optical fiber May propagate through the layer in guided mode. In this way, when light is guided through the adhesive layer, the adhesive layer receives more energy than when light is simply irradiated there. Therefore, when the present invention is applied to the fiber light source device in which the refractive index of the adhesive is larger than the refractive index of the cladding in contact with the adhesive, the effect of preventing the deterioration of the adhesive is further improved. It will be remarkable.
また、本発明による第1および第2のファイバ光源装置は、光ファイバの出射端面に、該端面に接触する他の光学部材との接着を抑止する保護膜体が形成されたものであるので、その出射端面を別の光ファイバ等の光学部材とオプティカルコンタクトをさせたときに発生する、両者に含まれる酸化物(石英、SiO2)の反応を防ぐことができる。特に、導波する光がエネルギー密度の高い光の場合や短波長光の場合は、酸化物の反応箇所において光ファイバと上記光学部材とが一体化し、両者を離したときに反応箇所が損傷して、再使用不能、あるいは光伝搬損失の増大という問題が生じやすいが、保護膜体によって上記反応を防ぐことができれば、このような問題を防止して、性能が安定したファイバ光源装置を実現できる。 Moreover, since the 1st and 2nd fiber light source device by this invention is formed with the protective film body which suppresses adhesion | attachment with the other optical member which contacts this end surface in the output end surface of an optical fiber, It is possible to prevent the reaction of oxide (quartz, SiO 2 ) contained in both of the light emitting end faces, which are generated when optical contact is made with an optical member such as another optical fiber. In particular, when the guided light is light with high energy density or short wavelength light, the optical fiber and the optical member are integrated at the reaction site of the oxide, and the reaction site is damaged when they are separated. However, if the above-mentioned reaction can be prevented by the protective film body, such a problem can be prevented, and a fiber light source device with stable performance can be realized. .
また、特に本発明による第1のファイバ光源装置においては、前述のように本来設けられる光伝搬用の光ファイバよりも大口径の光ファイバが、その出射端面が上記光伝搬用の光ファイバの入射端面に接する状態にして筒状の保持部材内に配設されているので、この大口径光ファイバが前述のスタブと同じ機能を果たすようになる。すなわち、光の収束位置となる本来の光伝搬用光ファイバの入射端面上では光のパワー密度が高くなるが、この光ファイバの入射端面は大口径光ファイバによって空気と隔絶される。その一方、空気と触れる大口径光ファイバの入射端面上では、収束しつつある比較的ビーム径の大きい光が通過することになるので、該端面上の光のパワー密度は比較的低くなる。以上の点から、いずれの光ファイバの入射端面も、空気中に含まれる有機物質によって汚染し難くなる。 Further, particularly in the first fiber light source device according to the present invention, the optical fiber having a larger diameter than the optical fiber for light propagation originally provided as described above, and the light emitting end face is incident on the optical fiber for light propagation. Since it is disposed in the cylindrical holding member so as to be in contact with the end face, the large-diameter optical fiber performs the same function as the above-described stub. That is, the power density of light increases on the incident end face of the original optical fiber for light propagation, which is the light convergence position, but the incident end face of this optical fiber is isolated from the air by the large-diameter optical fiber. On the other hand, since light having a relatively large beam diameter that is converging passes on the incident end face of a large-diameter optical fiber that comes into contact with air, the power density of the light on the end face is relatively low. From the above points, the incident end face of any optical fiber is hardly contaminated by the organic substance contained in the air.
そして上述の大口径ファイバとしては、一般に提供されているものを短く切断して使用することができるから、この本発明による第1のファイバ光源装置は、特殊なスタブを用いる従来装置と比べて低コストで作製可能となる。 Since the above-mentioned large-diameter fiber can be used by cutting a generally provided fiber, the first fiber light source device according to the present invention is lower than a conventional device using a special stub. It can be manufactured at a low cost.
また、特に本発明による第2のファイバ光源装置においては、光伝搬用の光ファイバが、集光された光の収束位置に対して入射端面が光軸方向にずれた状態に配置されているので、この入射端面上の光のパワー密度は、従来装置のように該入射端面上で光が収束する場合と比べると、比較的低いものとなる。そうであればこの光ファイバの入射端面が、空気中に含まれる有機物質によって汚染し難くなる。 Further, particularly in the second fiber light source device according to the present invention, the optical fiber for light propagation is arranged in a state where the incident end face is shifted in the optical axis direction with respect to the converged position of the condensed light. The power density of the light on the incident end face is relatively low as compared with the case where the light converges on the incident end face as in the conventional apparatus. If so, the incident end face of the optical fiber is hardly contaminated by an organic substance contained in the air.
そしてこの本発明による第2のファイバ光源装置は、光ファイバの入射端面の汚染防止のために前述のスタブのような特別の手段は全く用いないので、本装置も、従来装置と比べて低コストで作製可能となる。 Since the second fiber light source device according to the present invention does not use any special means such as the stub described above for preventing contamination of the incident end face of the optical fiber, this device is also less expensive than the conventional device. Can be produced.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1の実施形態によるファイバ光源装置を示すものである。このファイバ光源装置は、半導体レーザ等の光源1と、この光源1から発散光状態で発せられたレーザビームBを平行光化するコリメーターレンズ2と、平行光となったレーザビームBを集光する集光レンズ3と、光ファイバ10と、該光ファイバ10の両端部をそれぞれ保持する1対の円筒状のフェルール12とを有している。
FIG. 1 shows a fiber light source device according to a first embodiment of the present invention. This fiber light source device includes a
ここで用いられている光ファイバ10は、コア10aおよびその周囲に配されたクラッド10bからなるマルチモード光ファイバであり、光ファイバ10の両端面10c、10dの各々に近い部分の外周面(より詳しくはクラッド外周面)が、それぞれ接着剤層11によって円筒状のフェルール12の内周面に接着固定されている。
The
そして光ファイバ10の図中右側の端面(出射端面)10dには、後に詳述する保護膜体13が形成されている。また光ファイバ10の図中左側の端面(入射端面)10cには、大口径光ファイバ14が当接され、この大口径光ファイバ14も接着剤層11によって円筒状のフェルール12の内周面に接着固定されている。
A
なお20は、光ファイバ10を他の光ファイバと接続するためのコネクタハウジングである。本実施形態のファイバ光源装置は、一例としてピグテール型光源装置を構成するものであって、上記コネクタハウジング20が取り付けられた方の光ファイバ10の端部つまり出射端面10d側の端部は図示外のケースから外に出され、それと反対側の光ファイバ10の端部つまり入射端面10c側の端部は、光源1および両レンズ2、3とともに上記ケースの中に収められている。
光ファイバ10としては、コア径が60μm程度のものが用いられている。それに対して大口径光ファイバ14としては、コア14aの径が一例として105μmのものが用いられている。なお光ファイバ10のクラッド10bの外径と、大口径光ファイバ14のクラッド14bの外径は互いに同じであり、例えば125μm等とされる。そして光ファイバ10の入射端面10cと、大口径光ファイバ14の出射端面14dとは、互いにオプティカルコンタクトによって接続している。
As the
このファイバ光源装置においては、光源1から一例として波長が405nm、出力が200mWのレーザビームBが発せられ、このレーザビームBは上記両レンズ2、3の作用で例えばビーム径約30μmに収束する。光ファイバ10は、入射端面10cが上記レーザビームBの収束位置に有る状態に配設されている。そこでこのレーザビームBは上記入射端面側からコア10aに入射し、そこを導波して、図中右側の端面10dつまり出射端面から出射する。
In this fiber light source device, a laser beam B having a wavelength of 405 nm and an output of 200 mW is emitted from the
本実施形態では、接着剤層11となる接着剤として、例えば米国エポキシテクノロジー社製の熱硬化型接着剤モデル314が用いられている。この接着剤は、波長405nmのレーザビームBに対する透過率が28%/mm程度のものである。
In the present embodiment, for example, a thermosetting adhesive model 314 manufactured by Epoxy Technology, Inc., is used as the adhesive that becomes the
レーザビームBはコア10aに入射する際やそこから出射する際に、図中左側の端面(入射端面)10cや右側の端面(出射端面)10cにおいて一部が散乱し、その散乱光が接着剤層11を照射することもある。しかし本実施形態では、上述のように吸収率が低い接着剤が用いられていることにより、接着剤層11は上記散乱光を吸収し難くなっている。そこで、この接着剤層11が光を吸収して熱等によって劣化することが起こり難くなり、よって光ファイバ10がフェルール12に対して動いてしまうことが防止される。なお、もし光ファイバ10がその入射端面側でフェルール12に対して動いてしまうと、それに当接している大口径光ファイバ14とのオプティカルコンタクトが損なわれ、両光ファイバ10、14間で光伝搬損失が生じることも有る。
When the laser beam B enters or exits the
なお本実施形態では、光ファイバ10としてマルチモード光ファイバが適用されて、そこに200mWと高出力のレーザビームBが入力されるようになっている。また、レーザビームBは405nmと短波長であって、赤外域や近赤外域のレーザビームと比べるとより高エネルギーのものである。このような場合、接着剤層11はより高エネルギーの散乱光を受けて本来劣化しやすくなっているで、劣化防止の効果は特に顕著なものとなる。
In the present embodiment, a multimode optical fiber is applied as the
また、以上のようにして光ファイバ端面10cからコア10aにレーザビームBを入力させる場合、光ファイバ10のクラッド10bよりも接着剤層11の屈折率が大きいと、端面10cで散乱した光が、この接着剤層11を導波モードで伝搬することがある。このように接着剤層11を光が導波する場合は、そこに単純に光が照射される場合と比べて、接着剤層11はより大きいエネルギーを受けることになるので、本来劣化しやすくなっている。したがって、このような構成において、接着剤層11となる接着剤として低吸収のものを適用しておけば、接着剤層11の劣化を防止する効果がより顕著なものとなる。
Further, when the laser beam B is input from the optical
本実施形態では、光ファイバ10の出射端部側でも、それとフェルール12とを接着するために、前述した米国エポキシテクノロジー社製の熱硬化型接着剤モデル314が用いられている。そこで本実施形態では、光ファイバ10の出射端部側の接着剤層11が劣化することも防止される。
In this embodiment, the above-described thermosetting adhesive model 314 manufactured by Epoxy Technology, Inc. is used to bond the
なお保護膜体13は、光ファイバ10と、それにオプティカルコンタクトする別の光ファイバ(図示せず)同士の化学反応を抑止する膜体であり、常温での両者の物理的当接下においてその化学反応を抑止する。そのような膜体として具体的には、フッ化物(LiF、BaF2、MgF2、CaF2)等を含む膜体が挙げられる。この保護膜体13が形成されていることにより、光ファイバ10と別の光ファイバとを離したときに、両光ファイバに含まれる酸化物の反応箇所が損傷して、再使用不能、あるいは光伝搬損失の増大といった問題を招くことを防止できる。
The
ここで保護膜体13は、光ファイバ10と別の光ファイバとを1kg重以下(より望ましくは500g重以下)で50g重以上の荷重で圧着した後に両光ファイバを引き離しても、該保護膜体13および両光ファイバの損傷が最低限であって、両光ファイバが再使用可能な状態を維持できるものであることがさらに望ましい。
Here, the
なお保護膜体13は、単層膜、多層膜のいずれでもよい。多層膜の場合は、多層膜の最表面(最上層)の膜が光ファイバ10に含まれる石英やSiO2と容易に反応しないものであることが望ましい。また、保護膜体13としては、後述で詳細に説明する形態を適用することができる。
The
ここで、レーザビームBの収束位置となる光ファイバ10の入射端面10c上では、該レーザビームBのパワー密度が高くなるが、この光ファイバの入射端面10cは大口径光ファイバ14によって空気と隔絶されている。その一方、空気と触れる大口径光ファイバ14の入射端面14c上では、収束しつつある比較的ビーム径の大きいレーザビームBが通過することになるので、該端面14c上のレーザビームbのパワー密度は比較的低くなる。以上の点から、いずれの光ファイバの入射端面10c、14cも、空気中に含まれる有機物質によって汚染し難くなる。
Here, the power density of the laser beam B increases on the
なお、上述のようにレーザビームBを光ファイバ10の入射端面10c上で収束させるためには、大口径光ファイバ14のコア径をD、長さをL、入射側開口数をNAとすると、D≦2・L・NAであることが必要である。
In order to converge the laser beam B on the
また大口径光ファイバ14としては、一般に提供されているものを短く切断して使用することができるから、このファイバ光源装置は光ファイバ10の入射端面10cの汚染を防止できるものでありながら、この汚染防止のために特殊なスタブ等を用いる従来装置と比べて低コストで作製可能となる。
Further, as the large-diameter
次に図2を参照して、本発明の第2の実施形態について説明する。なおこの図2において、図1中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted unless particularly necessary.
図2のファイバ光源装置は、図1に示したものと比べると基本的に、大口径光ファイバ14が省かれている点が異なるものである。その代わりに本実施形態では、光ファイバ10の入射端面10c上におけるレーザビームBのビーム径が、第1の実施形態におけるよりも大きくされている。すなわち、第1の実施形態ではこの入射端面10c上にレーザビームBの収束位置が有る状態とされて、該入射端面10c上でのビーム径は30〜50μmとされている。それに対して本実施形態では、レーザビームBの収束位置が入射端面10cから光軸方向にずれた状態とされて、該入射端面10c上でのビーム径は100μm程度とされている。
The fiber light source device of FIG. 2 is basically different from that shown in FIG. 1 in that the large-diameter
以上のように、空気に触れる入射端面10c上のレーザビームBのパワー密度は、従来装置のように該入射端面10c上でレーザビームBが収束する場合と比べると、比較的低いものとなる。そうであればこの光ファイバ10の入射端面10cが、空気中に含まれる有機物質によって汚染し難くなる。
As described above, the power density of the laser beam B on the
そしてこの第2の実施形態のファイバ光源装置は、光ファイバ10の入射端面10cの汚染防止のために前述のスタブのような特別の手段は全く用いないので、従来装置と比べて低コストで作製可能となる。
The fiber light source device according to the second embodiment does not use any special means such as the above-mentioned stub for preventing contamination of the
[接続構造及び保護膜体]
次に、本発明のファイバ光源装置を他の光デバイスと接続する構造の例について説明する。図4はこの種の接続構造の一例を示すものである。ここに示す接続構造50は、例えば図1や図2に示したように光ファイバ10に保持部材としてのフェルール12が接着固定されてなる接続部を、別の光デバイスの同様の接続部に光学的に接続するものである。なお、この別の光デバイスの接続部も、基本的にはこれまで説明したものと同様の光ファイバ10およびフェルール12からなるものであるが、区別するためにそれらは各々10′、12′として示す。またここでは、フェルール12、12′の端部が半球面状に研磨されている場合について説明するが、これらの端部は図1や図2に示したように光ファイバ軸に対して垂直に形成されていても構わない。
[Connection structure and protective film body]
Next, an example of a structure for connecting the fiber light source device of the present invention to another optical device will be described. FIG. 4 shows an example of this type of connection structure. In the
フェルール12の端面12cおよび光ファイバ10の端面10cには、前述したような保護膜体13が成膜されている。この保護膜体13の材質は、短波長領域(190〜530nm)で高い透明性を持つ材質であり、例えばフッ化物(YF3、LiF、MgF2、NaF、LaF3、BaF2、CaF2およびAlF3)等を含む膜体が好ましい。また、フェルール12、12′の先端形状は曲率半径が7〜25mmであり、外径は1.25mmまたは2.5mmとする。そしてフェルール12と12′の当接部における接圧は4.9N〜11.8N程度とすることが望ましい。
The
端面12cに保護膜体13が成膜されたフェルール12とフェルール12′は、保護膜体13の最表面とフェルール12′(光ファイバ10′)とが当接するようにスリーブ51内に挿入される。
The
従来、このような構造において光ファイバ同士を光学的に接続するためには、オプティカルコンタクトが用いられていた。導光する光が長波長帯域の光である場合やエネルギー密度がそれ程高くない場合は、オプティカルコンタクトを採用することによって光伝搬効率が良くなることが知られている。 Conventionally, an optical contact has been used to optically connect optical fibers in such a structure. It is known that when the light to be guided is light in a long wavelength band or when the energy density is not so high, the optical propagation efficiency is improved by employing an optical contact.
しかし、導光する光がエネルギー密度の高い光の場合や短波長光の場合は、光ファイバ同士の当接部における酸化物が反応を起こして反応部分が一体化し、該反応後にフェルールをスリーブから抜くと、反応を起こした部分が破損して光コネクタとして再使用不能になったり、光損失が増大するといった問題が生じていた。特に、導光する光が短波長の場合、導光する光に有機物が反応することによって光ファイバの端部が汚染されることを防ぐためにUVクリーニングを行うと、光ファイバ同士の接着が生じて問題となることを、以下のようにして本出願人が確認した。 However, when the light to be guided is light with high energy density or short wavelength light, the oxide at the contact portion between the optical fibers reacts and the reaction portion is integrated, and after the reaction, the ferrule is removed from the sleeve. When it is pulled out, there has been a problem that the part that has caused the reaction is damaged and it cannot be reused as an optical connector, or the optical loss increases. In particular, when the light to be guided has a short wavelength, when UV cleaning is performed to prevent the end of the optical fiber from being contaminated by the reaction of the organic substance with the light to be guided, the optical fibers are bonded to each other. The applicant has confirmed that this is a problem as follows.
図6に、光ファイバとガラスをUVクリーニングした後、該光ファイバの断面とガラスを約500gの荷重で当接させ、約100時間放置したときの光ファイバ90の当接面を概略的に示す。ここで91はクラッド、92はコアである。99は、洗浄後に光ファイバ90とガラス(不図示)とを当接、圧着させたことによって、光ファイバ90とガラスに含まれる石英や酸化物が反応を起こして、光ファイバ90とガラスとが一体化した部分を示す。
FIG. 6 schematically shows a contact surface of the
このように反応箇所が一体化すると、光ファイバ90とガラスとを離間させたときに反応箇所が大きく損傷してしまい、あるいは反応箇所が光ファイバ90の断面またはガラスに付着してしまうことが分かった。なお、当接前のファイバの表面粗さはRa=2nmである。このような現象が、光ファイバ同士をオプティカルコンタクトによって当接させた場合においても発生していた。また上記現象は、表面粗さRaが5nm以下の場合に生じやすく、また、エネルギー密度の高い短波長の光が光ファイバを導光した場合に生じやすい。
When the reaction sites are integrated in this way, it is found that the reaction sites are greatly damaged when the
それに対して、図4に示した接続構造50におけるように、フェルール12および光ファイバ10の端面に短波長領域において透明性の高い保護膜体13を成膜することにより、光ファイバ10と10′は直接当接せずに保護膜体13を介して当接するようになる。したがって、光ファイバ10と10′の当接部における酸化物(石英、SiO2等)の反応を防いで、当接部の損傷をなくし、安定した性能を持つ接続構造50を実現することができる。
On the other hand, as in the
ここで保護膜体13とは、光ファイバ10と10′の当接部における両者の化学反応を抑止する膜体であり、より詳しくは、常温での物理的当接下で光ファイバ10と10′同士の化学反応を抑止するものである。具体的には上述したフッ化物(LiF、BaF2、MgF2、CaF2)等を含む膜体が挙げられる。
Here, the
さらに望ましくは、保護膜体13は、光ファイバ10と10′の当接部に対して1kg重以下(より望ましくは500g重以下)で50g重以上の荷重で圧着した後に、フェルール12および/またはフェルール12′をスリーブ51から抜いても、保護膜体13および/または光ファイバ10、10′の損傷が最低限であって、光ファイバ10および10′が再使用可能な状態を維持する膜体であると望ましい。上記構成とすることで、フェルール12および12′をスリーブ51に挿入して接続する際に、それらが1kg重以下(より望ましくは500g重以下)で50g重以上の荷重で圧着されることがあっても、光ファイバ10と10′の当接部における損傷を防ぐことができる。
More preferably, the
なお保護膜体13は、単層膜、多層膜の何れであってもよい。多層膜の場合は、多層膜の最表面(最上層)の膜が、光ファイバに含まれる石英やSiO2と容易に反応しないものであることが望ましい。また保護膜体13は、フェルール12の端面12cおよび光ファイバ10の端面10cに直接成膜されてもよいし、端面12c、10cにアシスト膜が成膜された後に保護膜体13が成膜されてもよい。
The
また保護膜体13の膜厚は、大きな光損失を招かない程度の膜厚とする。光ファイバ10の屈折率と保護膜体13の屈折率は異なるため、保護膜体13の光導波方向の膜厚d1と保護膜体の屈折率Nと導波光波長λの関係は、
d1×N=(λ/2)×n ・・・(1)
(ただし、nは1以上の整数)
であることが望ましい。
The film thickness of the
d1 × N = (λ / 2) × n (1)
(Where n is an integer greater than or equal to 1)
It is desirable that
また図5に示す接続構造60のように、以上説明した保護膜体13を設けた上でさらに、フェルール12′の端面12c(勿論光ファイバ10′の端面を含む)に保護膜体13′を成膜してもよい。この場合、保護膜体13、13′の当接部において反応や一体化が発生しないように、それらの最表面の膜は容易に反応が起こらない異種材料によって構成されることが望ましい。また、保護膜体13、13′の膜厚の合計は前記式(1)を満足することが望ましい。つまり例えば、保護膜体13、13′の膜厚がそれぞれd2で等しく、各膜体の屈折率もそれぞれNで等しい場合、導波光波長λとの関係は、
d2×N=(λ/4)×n ・・・(2)
(ただし、nは1以上の整数)
を満足することが望ましい。一方、保護膜体13、13′の膜厚がそれぞれ異なり、かつそれらが異種材料によって構成されて屈折率も異なる場合、保護膜体13の膜厚をd2a、屈折率をNa、保護膜体13′の膜厚をd2b、屈折率をNbとしたとき、導波光波長λとの関係は、
(d2a×Na)+(d2b×Nb)=(λ/2)×n ・・・(3)
を満足することが望ましい。
Further, as in the
d2 × N = (λ / 4) × n (2)
(Where n is an integer greater than or equal to 1)
It is desirable to satisfy On the other hand, when the film thicknesses of the
(D2a × Na) + (d2b × Nb) = (λ / 2) × n (3)
It is desirable to satisfy
各保護膜体の膜厚を上記の方法で設定する他に、保護膜体の膜厚をλ/2未満のフッ化物膜とすることによって、膜質の経時変化を少なくすることができ、長時間に渡ってレーザ光を入射したときの光損失増大を抑えることができることを出願人は確認した。以下、その点について詳しく説明する。蒸着法で膜厚λ/2、λ/4、λ/6のMgF2膜をそれぞれフェルール端面12cに成膜してなる3種類の接続構造50(図4参照)を用意した。そして、光出力=160mW、波長λ=405nmのレーザ光を光ファイバ10に入射させ、そのとき別の光ファイバ10′から出射した光の光出力の時間変化を測定した結果を図7に示す。なおこの場合、レーザ光は保護膜体13の直径約30μmの領域を通過する。
In addition to setting the film thickness of each protective film body by the above method, the change in film quality over time can be reduced by using a fluoride film with a film thickness of the protective film body of less than λ / 2. The applicant has confirmed that an increase in optical loss when laser light is incident on can be suppressed. Hereinafter, this point will be described in detail. Three types of connection structures 50 (see FIG. 4) were prepared by depositing MgF 2 films having film thicknesses λ / 2, λ / 4, and λ / 6 on the
ここに示すg1、g2、g3がそれぞれ、膜厚がλ/2、λ/4、λ/6の場合の特性である。なおこの図7のグラフの縦軸は、入射光出力を1としたときの出射光の相対出力を示している。すなわち、この光出力が小さいほど光損失が大きいことになる。ここに示される通り、膜厚が小さいほど出射光の光出力の低下が少ない、つまり光損失が少ないことが分かる。 Here, g1, g2, and g3 are characteristics when the film thicknesses are λ / 2, λ / 4, and λ / 6, respectively. The vertical axis of the graph in FIG. 7 indicates the relative output of the emitted light when the incident light output is 1. That is, the smaller this light output, the greater the optical loss. As shown here, it can be seen that the smaller the film thickness, the less the output power of the emitted light decreases, that is, the less the optical loss.
また、実験後のそれぞれの保護膜体13を顕微鏡観察したところ、膜厚λ/6の膜の外観変化はほとんど見られなかったが、膜厚λ/4およびλ/2の膜はレーザ光の通過部分と思われる領域の変色が確認された。さらに、膜厚λ/2の膜は、変色した部分の周辺に膜のひび割れが確認された。膜厚λ/2とλ/4の膜に見られた変色は、レーザ光の熱によって膜が融解したためと考えられる。この結果より、保護膜体13の膜厚が大きいほど、膜によるレーザ光のエネルギー吸収が大きく、この吸収によって膜質が変化し、光損失が大きくなると考えられる。
Further, when each of the
また本出願人は、蒸着法よりもイオンアシスト法で成膜した膜の方が、光損失をより低減できることを確認した。以下、この点について詳しく説明する。蒸着法とイオンアシスト法のそれぞれの方法で膜厚λ/6のMgF2膜をフェルール端面12cに成膜した2種類の接続構造50(図4参照)を用意し、光出力=160mW、波長λ=405nmのレーザ光を光ファイバ10に入射させ、そのとき別の光ファイバ10′から出射した光の光出力の時間変化を測定した。図8はその測定結果を示すグラフであり、g4が蒸着法、g5がイオンアシスト法で成膜した場合の測定結果を示している。
Further, the present applicant has confirmed that the light loss can be further reduced by the film formed by the ion assist method than by the vapor deposition method. Hereinafter, this point will be described in detail. Two types of connection structures 50 (see FIG. 4) in which a MgF 2 film having a film thickness of λ / 6 is formed on the
この図8より、蒸着法よりイオンアシスト法で成膜した膜を用いた方が、光出力の低下が少ないことが分かる。また、曲線g4よりより曲線g5の方が傾きがやや小さいので、図示はしていないが、1000時間以上経過した後は両成膜法における光出力の差が拡大しているであろうと推察される。 From FIG. 8, it can be seen that the decrease in light output is less when the film formed by the ion assist method is used than by the vapor deposition method. In addition, since the slope of the curve g5 is slightly smaller than that of the curve g4, although not shown, it is assumed that the difference in light output between the two film forming methods will increase after 1000 hours or more. The
なおイオンアシスト法の場合、成膜前にイオンビーム等でターゲット(光ファイバ10の端面)をクリーニング処理することができる。このため、ターゲットと膜の界面における損失を少なくでき、蒸着法よりも光損失を低減させることができたと考えられる。さらに、蒸着法よりイオンアシスト法の方がより緻密な膜質の膜を成膜することができる。したがって、イオンアシスト法による膜の方がレーザ光のエネルギー吸収による膜質変化が少なく、光損失を低減させることができたと考えられる。成膜前にターゲットのクリーニングが可能で、蒸着法より緻密な膜質の膜を成膜可能な方法としては、イオンアシスト法の他にイオンプレーティング法、スパッタリング法等が挙げられる。 In the case of the ion assist method, the target (the end face of the optical fiber 10) can be cleaned with an ion beam or the like before film formation. For this reason, it is considered that the loss at the interface between the target and the film can be reduced, and the optical loss can be reduced as compared with the vapor deposition method. Furthermore, the ion assist method can form a finer film quality than the vapor deposition method. Therefore, it is considered that the film by the ion assist method has less change in film quality due to energy absorption of the laser beam, and light loss can be reduced. Examples of a method capable of cleaning the target before the film formation and forming a film having a finer film quality than the vapor deposition method include an ion plating method and a sputtering method in addition to the ion assist method.
また、イオンアシスト法で膜厚λ/6、λ/12のMgF2膜をフェルール端面12cにそれぞれ成膜した2種類の接続構造50(図4参照)を用意し、光出力=160mW、波長λ=405nmのレーザ光を光ファイバ10に入射させた。そのとき光ファイバ10′から出射した光の光出力の時間変化を測定した。図9はそのときの測定結果を示すものであり、g6が膜厚λ/6、g7が膜厚λ/12の場合を示している。この図9より、膜厚λ/6と膜厚λ/12の膜とで、光出力の変化の様子がほぼ同じであることが分かる。したがって、レーザ光の条件が光出力=160mWでλ=405nmであって、膜厚がλ/6以下であれば、経時による出射光の出力変化特性はほぼ同じになると考えられる。
Also, two types of connection structures 50 (see FIG. 4) in which MgF 2 films having film thicknesses of λ / 6 and λ / 12 are respectively formed on the
また本出願人は、吸収係数の低い材料を使用した膜の方が光損失の低減化を図れることを確認した。図10は波長248nmのパルスレーザによる膜の吸収係数と損傷閾値の関係を示したグラフである("High damage threshold fluoride UV mirrors made by Ion Beam Sputtering",J.Dijion,et.,al.,SPIE Vol.3244,pp406-418,1998より引用)。このグラフより、フッ化物膜は損傷閾値が高く、フッ化物膜の中でもMgF2に比べてYF33やLiFの方が損傷閾値が高いことが分かる。
In addition, the present applicant has confirmed that a film using a material having a low absorption coefficient can reduce light loss. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the absorption coefficient of a film by a pulse laser with a wavelength of 248 nm and the damage threshold (“High damage threshold fluoride UV mirrors made by Ion Beam Sputtering”, J. Dijion, et., Al., SPIE). (Quoted from Vol.3244, pp406-418, 1998). From this graph, it can be seen that the fluoride film has a higher damage threshold, and among the fluoride films,
そこで、蒸着法で膜厚λ/6のMgF2膜、YF3膜をフェルール端面12cにそれぞれ成膜した2種類の接続構造50(図4参照)を用意し、光出力=160mW、波長λ=405nmのレーザ光を光ファイバ10に入射させ、そのとき光ファイバ10′から出射した光の光出力の時間変化を測定した。この測定結果を図11に示す。このグラフにおいてg8がMgF2膜、g9がYF3膜を用いた場合の特性を示している。この図11より、MgF2膜よりYF3膜の方が光出力の低下が少ないことが分かる。また、MgF2膜の場合YF3膜の場合の方がグラフの傾きがやや小さいため、図示していないが、1000時間以上経過した後は両膜における光出力の差が拡大しているであろうと推察される。したがって、光損失を低減するためには、フッ化物膜(例えばYF3、LiF、MgF2、NaF、LaF3、BaF2、CaF2およびAlF3の何れか)を用いることが好ましく、さらには吸収係数の小さいYF3等を用いることがより好ましい。
Therefore, two types of connection structures 50 (see FIG. 4) in which an MgF 2 film and a YF 3 film having a film thickness of λ / 6 are respectively formed on the
以上より、光出力=160mW、波長=405nmのレーザ光を光ファイバ10に1000時間以上に渡って入射させたとき、入射直後の出射光の光出力に対する1000時間後の出射光の光出力の低下率を10%未満に抑えるためには、光ファイバ10の端面に成膜する膜の膜厚はλ/6以下であることが望ましい。さらに、成膜方法はイオンアシスト法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等、成膜前にターゲットのクリーニングが可能であって、膜質の緻密な膜を成膜可能な方法を用いることが望ましい。さらに、レーザ光のエネルギー吸収が少ない膜であることが望ましい。
As described above, when laser light having a light output of 160 mW and a wavelength of 405 nm is incident on the
また、導波する光の波長が短波長領域(190〜530nm)の場合には、有機物による汚染を防ぐため、図4の構成において、保護膜体13が成膜されていないフェルール12′の端面および/またはフェルール12の端面12cにUVクリーニングを施してもよい。上述したフッ化物(YF3、LiF、MgF2、NaF、LaF3、BaF2、CaF2およびAlF3の何れか)を含む膜体はUV領域(190〜410nm)の光に不活性であり、フェルール12に上記フッ化物からなる保護膜体13が成膜されているため、光ファイバ10と10′の当接部における酸化物(石英、SiO2等)の反応を防いで、当接部の損傷を抑制することができる。また、図5の構成において有機物による汚染を防ぐために、フェルール12′および/または12の端面12cにUVクリーニングを施す場合も、光ファイバ10および10′同士の当接部における化学反応を抑止することができる。
When the wavelength of the guided light is in the short wavelength region (190 to 530 nm), the end face of the ferrule 12 'in which the
1 光源
2 コリメーターレンズ
3 集光レンズ
10 光ファイバ
10a 光ファイバのコア
10b 光ファイバのクラッド
10c 光ファイバの入射端面
10d 光ファイバの出射端面
11 接着剤層
12 フェルール
13 保護膜体
14 大口径光ファイバ
14a 大口径光ファイバのコア
14b 大口径光ファイバのクラッド
14c 大口径光ファイバの入射端面
14d 大口径光ファイバの出射端面
20 コネクタハウジング
B レーザビーム
DESCRIPTION OF
Claims (5)
この光源から発せられた光を集光する集光光学系と、
集光された前記光を入射端面から受け入れて伝搬させ、出射端面から出射させる光ファイバと、
この光ファイバの入射端面に近い部分の外周面が接着されて、該光ファイバを保持する筒状の保持部材とを備えてなるファイバ光源装置において、
前記光ファイバよりも大口径の光ファイバが、その出射端面が前記入射端面に接する状態にして前記筒状の保持部材内に配設され、
前記2つの光ファイバの各外周面と前記保持部材とが、前記光に対する透過率が28%/mm以上である接着剤によって接着され、
前記光ファイバの出射端面に、該端面に接触する他の光学部材との接着を抑止する保護膜体が形成されていることを特徴とするファイバ光源装置。 A light source;
A condensing optical system for condensing the light emitted from the light source;
An optical fiber for receiving and propagating the collected light from the incident end face and emitting from the exit end face;
In a fiber light source device comprising a cylindrical holding member that holds the optical fiber by bonding an outer peripheral surface of a portion near the incident end face of the optical fiber,
An optical fiber having a diameter larger than that of the optical fiber is disposed in the cylindrical holding member in a state in which an exit end face thereof is in contact with the entrance end face,
Each outer peripheral surface of the two optical fibers and the holding member are bonded by an adhesive having a light transmittance of 28% / mm or more,
A fiber light source device characterized in that a protective film body that suppresses adhesion with another optical member that contacts the end face is formed on the exit end face of the optical fiber.
この光源から発せられた光を集光する集光光学系と、
集光された前記光を入射端面から受け入れて伝搬させ、出射端面から出射させる光ファイバと、
この光ファイバの入射端面に近い部分の外周面が接着されて、該光ファイバを保持する筒状の保持部材とを備えてなるファイバ光源装置において、
前記光ファイバが、前記光の収束位置に対して入射端面が光軸方向にずれた状態に配置され、
前記光ファイバの外周面と前記保持部材とが、前記光に対する透過率が28%/mm以上である接着剤によって接着され、
前記光ファイバの出射端面に、該端面に接触する他の光学部材との接着を抑止する保護膜体が形成されていることを特徴とするファイバ光源装置。 A light source;
A condensing optical system for condensing the light emitted from the light source;
An optical fiber for receiving and propagating the collected light from the incident end face and emitting from the exit end face;
In a fiber light source device comprising a cylindrical holding member that holds the optical fiber by bonding an outer peripheral surface of a portion near the incident end face of the optical fiber,
The optical fiber is disposed in a state where the incident end face is displaced in the optical axis direction with respect to the light convergence position,
The outer peripheral surface of the optical fiber and the holding member are bonded by an adhesive having a light transmittance of 28% / mm or more,
A fiber light source device characterized in that a protective film body that suppresses adhesion with another optical member that contacts the end face is formed on the exit end face of the optical fiber.
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