JP2015070216A - ファイバーレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】複数種類の波長のレーザ光を同時に取り出すことの可能なファイバーレーザを実現する。【解決手段】 ファイバーレーザは、励起光を射出するレーザ光源素子と、コア部とコア部の外周に形成されたクラッド部を有する光ファイバーとを備え、励起光がコア部に導かれる構成であり、光ファイバーは、母材がフッ化物ガラスで構成され、コア部にＰｒがドープされ、励起光が入射される第１端面に形成された第１ミラー、及び第１端面とは反対側の第２端面に形成され、第１ミラーと共に共振器ミラーを構成する第２ミラーを有し、第２ミラーは、波長６３５ｎｍの光に対する反射率が８０％以上９７％以下であり、波長６１３ｎｍ以上６２０ｎｍ以下の少なくともいずれか一の波長の光に対する反射率が９４％以上９７％以下である。【選択図】 図５Ａ

Description

本発明はファイバーレーザに関する。

従来、コア部に希土類元素をドープし、両端面に共振器ミラーを構成してなる光ファイバーに、所定の波長を示す励起用レーザ光を入射させることで、励起光とは異なる波長の光を発振させる技術がある。例えばコア部にＰｒをドープしたファイバーレーザはＲ，Ｇ，Ｂ領域のいずれかの波長を発振できるため、プロジェクタの光源としての活用が検討がされている（例えば、下記特許文献１、２参照）。

特開平１１−２０４８６２号公報 特開２００１−２６４６６２号公報

近年、３Ｄ映像を形成するために、右目用と左目用とで波長を若干ずらしたＲ，Ｇ，Ｂ各色の光を用いる技術が開発されている。例えば、赤色の場合であれば、波長６１５ｎｍの光と波長６３５ｎｍの光とを用いて右目用の画像と左目用の画像を形成する。青色、緑色においても、同様に異なる２つの波長の光を用いて右目用の画像と左目用の画像を形成する。この技術によって、観察者に３Ｄ映像を提供することができる。

しかし、ファイバーレーザを用いてこの技術を実現するためには、Ｒ，Ｇ，Ｂのそれぞれにおいて２種類の波長の光が必要となることから、合計６種類の波長の光を取り出すファイバーレーザを各別に配置する必要があり、装置規模が大きくなってしまうという課題があった。

本発明は、上記の課題に鑑み、複数種類の波長のレーザ光を同時に取り出すことの可能なファイバーレーザを実現することを目的とする。

本発明者らは、鋭意研究により、所定の条件でファイバーレーザを形成したところ、一のファイバーレーザから、波長６３５ｎｍのレーザ光と、波長６１３ｎｍ以上６２０ｎｍ以下の少なくともいずれか一の波長のレーザ光を同時に取り出すことに成功し、本発明に至ったものである。

このファイバーレーザは、励起光を射出するレーザ光源素子と、コア部と前記コア部の外周に形成されたクラッド部を有する光ファイバーとを備え、前記励起光が前記コア部に導かれる構成であって、
前記光ファイバーは、
母材がフッ化物ガラスで構成され、
前記コア部にＰｒがドープされ、
前記励起光が入射される第１端面に形成された第１ミラー、及び前記第１端面とは反対側の第２端面に形成され、前記第１ミラーと共に共振器ミラーを構成する第２ミラーを有し、
前記第２ミラーは、波長６３５ｎｍの光に対する反射率が８０％以上９７％以下であり、波長６１３ｎｍ以上６２０ｎｍ以下の少なくともいずれか一の波長の光に対する反射率が９４％以上９７％以下であることを特徴とする。

光ファイバーのレーザ光取り出し側端面、すなわち第２端面に形成された第２ミラーの反射率に関し、波長６３５ｎｍの光に対する反射率を８０％以上９７％以下とし、波長６１３ｎｍ以上６２０ｎｍ以下の少なくともいずれか一の波長の光に対する反射率を９４％以上９７％以下としたことで、波長６３５ｎｍのレーザ光と、波長６１３ｎｍ以上６２０ｎｍ以下の少なくともいずれか一の波長のレーザ光を同時に取り出すことに成功した。

第１ミラー及び第２ミラーは、いずれも所定の材料で構成された多層膜によって実現することができる。一例としては、ＳｉＯ_２膜とＴａ_２Ｏ_５膜を所定の膜厚によって交互に所定の積層数だけ積層することで実現できる。

一のファイバーレーザから、波長６３５ｎｍのレーザ光と、波長６１３ｎｍ以上６２０ｎｍ以下のレーザ光が同時に取り出すことができるため、一方を左目用の赤色光、他方を右目用の赤色光として利用することで、３Ｄプロジェクタ用の光源の光として利用することが可能である。

また、より具体的には、第２ミラーに関し、波長６３５ｎｍの光に対する反射率を８０％以上９７％以下とし、波長６１５ｎｍの光に対する反射率を９４％以上９７％以下としたことで、波長６３５ｎｍのレーザ光と波長６１５ｎｍのレーザ光を同時に取り出すことに成功した。

ハイビジョン用の規格としては、６３０ｎｍ以上の波長の光を赤色光として利用することが要求されている。一方で、視感度は波長５５５ｎｍの光が最も高く、５５５ｎｍから波長が離れるほど視感度が低くなることが知られている。このため、ハイビジョン用の規格を守りつつ、高い視感度を確保するためには、６３０ｎｍ以上の波長であって、且つできる限り６３０ｎｍ近傍の波長の光を赤色光として利用することが好ましいといえる。

本発明のファイバーレーザによれば、波長６３５ｎｍのレーザ光と波長６１５ｎｍのレーザ光を同時に取り出すことができるため、両者の光量の比率を調整することによって、波長６３０ｎｍ以上で且つ波長６３０ｎｍ近傍の赤色光を容易に実現できる。なお、この光量の比率を調整する方法としては、第２ミラーの、波長６３５ｎｍの光に対する反射率を８０％以上９７％以下の範囲内で調整すればよく、この範囲内で低い値（すなわち８０％に近い値）にすることで波長６１５ｎｍの光に対する波長６３５ｎｍの光の比率を低くすることができる。一方、逆に上記範囲内で高い値（すなわち９７％に近い値）にすることで、波長６１５ｎｍの光に対する波長６３５ｎｍの光の比率を高くすることができる。

また、本発明のファイバーレーザにおいて、
前記第２ミラーは、波長６０５ｎｍの光に対する反射率が８０％より低いか、又は９７％より高い構成とすることができる。

本発明のファイバーレーザによれば、一のファイバーレーザによって、波長６３５ｎｍのレーザ光と、波長６１３ｎｍ以上６２０ｎｍ以下の少なくともいずれか一の波長のレーザ光を同時に取り出すことができる。

これにより、赤色光として２種類の波長の光を利用する用途に対しては、本発明のファイバーレーザを、一の装置で２種類の波長の赤色光を出力できる光源として利用できる。また、赤色光として利用できる波長に制限があるような用途に対しては、この２種類の波長の光の光量を調整して混ぜ合わせることで、当該制限内の波長の赤色光を提供することが可能である。

本発明のファイバーレーザの構成を模式的に示すブロック図である。 Ｐｒ^３＋をドープしたフッ化物ガラスの蛍光スペクトルである。 実施例及び比較例における第２ミラーの反射率の条件と結果を示す表である。 実施例１〜４において光ファイバーから取り出されたレーザ光のスペクトルである。 比較例１〜２において光ファイバーから取り出されたレーザ光のスペクトルの一例である。 比較例３〜４において光ファイバーから取り出されたレーザ光のスペクトルの一例である。 光の波長に対する第２ミラーの反射率の一例を示すグラフである。 光の波長に対する第２ミラーの反射率の一例を示すグラフである。

本発明のファイバーレーザにつき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。

図１は、本発明の一実施形態におけるファイバーレーザの構成を模式的に示すブロック図である。ファイバーレーザ１は、レーザ光源素子１１、結合光学系１２、及び光ファイバー１３を備える。

光ファイバー１３は、ファイバー軸を含む最も中心の位置に形成されたコア部２１、コア部２１を取り囲むようにコア部２１よりも屈折率の低い材料で形成されたクラッド部２２、クラッド部２２を取り囲むように形成されたジャケット部２３、及びジャケット部２３を取り囲むように形成されたフェルール部２４を備える。

コア部２１は、例えば径（真円であれば直径。以下、同様。）が１０μｍ〜２０μｍ程度で形成され、クラッド部２２は、例えば径（直径）が３０μｍ〜５０μｍ程度（クラッド部２２の外周の最長距離であって、コア部２１を含めた長さ）で形成される。コア部２１及びクラッド部２２は細い径で形成されるため、機械的強度を高める観点からクラッド部２２の外側を径（直径）が２５０μｍ〜３５０μｍ程度のジャケット部２３で覆っている。更に、強度を高め、光ファイバー１３から取り出されるレーザ光を利用する装置に対して当該光ファイバー１３を組み込みやすくさせるために、ジャケット部２３の外側が例えば外径２．５ｍｍ程度のフェルール部２４で覆われている。

コア部２１及びクラッド部２２はフッ化物ガラス（例えばＡｌＦ_３系のフッ化物ガラス）で形成されており、コア部２１にはＰｒ（例えばＰｒ^３＋）がドープされている。

また、本実施形態では、ジャケット部２３がガラス製（ジャケットガラス、保護ガラス）、フェルール部２４がジルコニア製であるものとして説明するが、ジャケット部２３及びフェルール部２４の部材としては種々の材料を利用することができ、本発明はこれらの材料に限定されるものではない。

光ファイバー１３は、最もレーザ光源素子１１に近い側の端面、すなわち励起光が入射される側の端面（「第１端面」に対応）に第１ミラー３１が形成されており、光ファイバー１３のうち光路上最もレーザ光源素子１１から遠い側の端面、すなわちレーザ光が取り出される側の端面（「第２端面」に対応）には第２ミラー３２が形成されている。これらの第１ミラー３１と第２ミラー３２が、一対で共振器ミラーを構成している。

レーザ光源素子１１は励起光を射出する光源素子であり、一例として例えば４４０〜４５５ｎｍの波長の光を射出するＧａＮ系の半導体レーザ素子で構成することができる。なお、レーザ光源素子１１は複数の発光素子によって構成されているものとしても構わない。

結合光学系１２は、レーザ光源素子１１から射出される励起光を光ファイバー１３のコア部２１に導くための光学系である。なお、レーザ光源素子１１と光ファイバー１３の距離が極めて短い場合等は、必ずしも結合光学系１２を備えなくても構わない。

第１ミラー３１及び第２ミラー３２は、所定の材料で構成された多層膜によって実現される。一例としては、ＳｉＯ_２膜とＴａ_２Ｏ_５膜を所定の膜厚によって交互に所定の積層数だけ積層した構成が採用される。後述するように、第１ミラー３１及び第２ミラー３２は、所定の波長の光に対する反射率が所定の条件を満たすように、各ミラーを構成する多層膜の材料、積層数、及び膜厚が調整される。

レーザ光源素子１１から射出され、結合光学系１２を介して光ファイバー１３のコア部２１に導かれた励起光は、コア部２１とクラッド部２２の境界において反射を繰り返しながら、第２ミラー３２の側へと進行する。このとき、励起光の一部がコア部２１によって吸収されることで、コア部２１にドープされたＰｒ^３＋が励起され、励起光とは異なる波長の蛍光を生じさせる。

図２は、Ｐｒ^３＋をドープしたフッ化物ガラスに励起光を照射したときの蛍光スペクトルである。図２に示すスペクトルによれば、４９０ｎｍ、５２２ｎｍ、６０５ｎｍ、６３５ｎｍ、７１５ｎｍの各波長においてピークを有している。

励起光が光ファイバー１３に入射され、コア部２１にドープされたＰｒ^３＋が励起されることで、図２のスペクトルに従って種々の波長の蛍光が生じるが、第１ミラー３１と第２ミラー３２の条件によって、所定の波長の光のみが光ファイバー１３内にて閉じ込められて反射を繰り返し、発振条件が成立した時点でレーザ発振する。

ここで、本発明のファイバーレーザ１においては、第１ミラー３１は、波長６３５ｎｍの光、及び波長６１３ｎｍ以上６２０ｎｍ以下の少なくともいずれか一の波長の光に対する反射率が極めて高く（例えば９９％以上）なるように設計されている。なお、この第１ミラー３１は、レーザ光源素子１１から射出される励起光を光ファイバー１３のコア部２１に導くことのできるよう、当該励起光の波長の光に対しては十分透過性を有するように、低い反射率で設計されている。

また、第２ミラー３２は、波長６３５ｎｍの光に対する反射率が８０％以上９７％以下であり、波長６１３ｎｍ以上６２０ｎｍ以下の少なくともいずれか一の波長の光に対する反射率が９４％以上９７％以下となるように設計されている。

このように構成したとき、波長６３５ｎｍの光、及び波長６１３ｎｍ以上６２０ｎｍ以下の少なくともいずれか一の波長の光（ここでは、波長６１５ｎｍの光とする）の双方が、第１ミラー３１及び第２ミラー３２を共振器ミラーとして光ファイバー１３内で反射を繰り返しながらエネルギーを増大させ、発振条件が成立した段階で第２ミラー３２から外部へとレーザ光として取り出される。

更に、第２ミラー３２は、波長６０５ｎｍの光に対しては、極めて高い反射率（９７％より高い）か、低い反射率（８０％より低い）となるように設計されている。

第２ミラー３２を波長６０５ｎｍの光に対して極めて高い反射率とした場合には、この光が第２ミラー３２から外部へと取り出されることがない。そして、第２ミラー３２をこのように構成しても、波長６３５ｎｍの光と波長６１５ｎｍの光についてレーザ発振が起こると、励起光のエネルギーはこれらの発振波長に集約されていくため、波長６０５ｎｍの光が発振することはなく、光ファイバー１３内で反射を繰り返しながら熱エネルギーに変換される。

一方、第２ミラー３２を波長６０５ｎｍの光に対して低い反射率（８０％より低い）とした場合には、この光が低出力の状態で第２ミラー３２から透過するため、やはり波長６０５ｎｍの光が発振することはない。

図２に示したように、波長６０５ｎｍは、蛍光スペクトル上においてピーク値を有するため、波長６１５ｎｍの近傍波長を有する高出力の光として生成される。ここで、この波長の光が光ファイバー１３内において発振してしまうと、励起光のエネルギーがこの波長６０５ｎｍの光の発振エネルギーとして集約されてしまうため、波長６１５ｎｍの光を発振させることができない。従って、波長６０５ｎｍの光が光ファイバー１３内で発振しないように、波長６０５ｎｍの光に対する第２ミラー３２の反射率を極めて高い反射率（９７％より高い）か、低い反射率（８０％より低い）となるように設計している。

なお、波長６０５ｎｍの光が光ファイバー１３内で発振しない条件が形成されていればよいため、波長６０５ｎｍの光に対する第１ミラー３１における反射率を低く設定しても構わない。

また、図２に示すように、波長４９０ｎｍ、波長５２２ｎｍ、及び波長７１５ｎｍの位置においても蛍光スペクトルがピーク値を有している。そこで、これらの波長の光についても光ファイバー１３内で発振することがないように、第１ミラー３１及び第２ミラー３２の反射率を調整するものとして構わない。

以下、実施例及び比較例を参照して説明する。図３は、実施例及び比較例における第２ミラー３２の反射率の条件と結果を示す表である。

波長６１５ｎｍに対する光の反射率と、波長６３５ｎｍに対する光の反射率を図３に示す値に設定した第２ミラー３２を用いて光ファイバー１３を形成し、当該光ファイバー１３に対して励起光を入射させ、取り出されるレーザ光のスペクトル分析を行った。なお、各実施例及び各比較例において、励起光の波長の近傍を少なくとも除く各波長の光に対する第１ミラー３１の反射率を９９％以上とし、波長６０５ｎｍの光に対する第２ミラー３２の反射率を５０％とした。

実施例１〜４においては、取り出されたレーザ光が代表例として図４Ａに示すようなスペクトルを示し、比較例１〜２においては、取り出されたレーザ光が代表例として図４Ｂに示すようなスペクトルを示し、比較例３〜４においては、取り出されたレーザ光が代表例として図４Ｃに示すようなスペクトルを示した。

実施例１、実施例２、比較例１、及び比較例２によれば、波長６３５ｎｍの光に対する第２ミラー３２の反射率を９０％と固定して、波長６１５ｎｍの光に対する第２ミラー３２の反射率を異ならせた場合、波長６１５ｎｍの光に対する反射率が９６％である実施例１、９４％である実施例２については、レーザ光のスペクトルが波長６１５ｎｍ及び波長６３５ｎｍの双方にピーク値を有しているのに対し、波長６１５ｎｍの光に対する反射率が９８％である比較例１、９０％である比較例２については、レーザ光のスペクトルには波長６３５ｎｍのピークは存在するものの、波長６１５ｎｍのピークが現れていない。

また、実施例１、実施例３、実施例４、比較例３、及び比較例４によれば、波長６１５ｎｍの光に対する第２ミラー３２の反射率を９６％と固定して、波長６３５ｎｍの光に対する第２ミラー３２の反射率を異ならせた場合、波長６３５ｎｍの光に対する反射率が９０％である実施例１、９６％である実施例３、８０％である実施例４については、レーザ光のスペクトルが波長６１５ｎｍ及び波長６３５ｎｍの双方にピーク値を有しているのに対し、波長６３５ｎｍの光に対する反射率が９８％である比較例４、６０％である比較例４については、レーザ光のスペクトルには波長６１５ｎｍのピークは存在するものの、波長６３５ｎｍのピークが現れていない。

このことから、第２ミラー３２に関して、波長６１５ｎｍの光に対しては反射率を９４％以上９６％以下とし、波長６３５ｎｍの光に対しては反射率を８０％以上９６％以下とした場合に、光ファイバー１３から波長６１５ｎｍと波長６３５ｎｍにピークを有するレーザ光を取り出すことができることが分かる。なお、実施例３に代えて、波長６１５ｎｍの光、及び波長６３５ｎｍの光双方に対する第２ミラー３２の反射率を９７％とした場合にも、図４Ａと同様のスペクトルが確認された。つまり、第２ミラー３２に関して、波長６１５ｎｍの光に対しては反射率を９４％以上９７％以下とし、波長６３５ｎｍの光に対しては反射率を８０％以上９７％以下とした場合に、光ファイバー１３から波長６１５ｎｍと波長６３５ｎｍにピークを有するレーザ光を取り出すことができることが分かる。

比較例１のように波長６１５ｎｍの光に対する第２ミラー３２の反射率を、９８％と極めて高くした場合には、波長６１５ｎｍの光の大部分が第２ミラー３２において反射される結果、波長６１５ｎｍの光を光ファイバー１３の外部に取り出すことができなくなっているものと推察される。このとき、当該波長の光は光ファイバー１３内で反射を繰り返しながら熱エネルギーに変換される一方、波長６３５ｎｍの光のみが発振してレーザ光として取り出されたものと考えられる。

また、比較例２のように波長６１５ｎｍの光に対する第２ミラー３２の反射率を、実施例１や実施例２より低い９０％とした場合には、波長６１５ｎｍの光が一部透過した結果、発振に必要な量の波長６１５ｎｍの光が第２ミラー３２で反射されなかったことで、波長６１５ｎｍの光が発振しなかったものと推定される。図２に示すように、波長６１５ｎｍは、波長６０５ｎｍと波長６３５ｎｍという２つのピーク値の間に位置するため、励起光が入射されることで生じる蛍光の光量が波長６３５ｎｍよりは少ないことが影響しているものと考えられる。このことは、実施例４において、第２ミラー３２における波長６３５ｎｍの光に対する反射率を８０％と比較的低い値に設定しても、波長６３５ｎｍのレーザ光が取り出せていることにも示唆されている。

なお、この議論は、波長６３５ｎｍと同時に取り出す光として、波長６１５ｎｍ以外の波長であって、波長６０５ｎｍと波長６３５ｎｍの間であって、６１５ｎｍ近傍の他の波長の光を取り出す場合においても、同様に適用が可能である。つまり、波長６３５ｎｍの光と共に、波長６１３ｎｍ以上６２０ｎｍ以下の少なくともいずれか一の波長の光を同時に取り出す場合においては、当該取り出したい波長の光に対する第２ミラー３２の反射率を９４％以上９７％以下とすればよい。

また、比較例３のように、波長６３５ｎｍの光に対する第２ミラー３２の反射率を、実施例１、実施例３、及び実施例４よりも極めて高い９８％とした場合には、波長６３５ｎｍの光の大部分が第２ミラー３２において反射される結果、波長６３５ｎｍの光を光ファイバー１３の外部に取り出すことができなくなっているものと推察される。このとき、当該波長の光は光ファイバー１３内で反射を繰り返しながら熱エネルギーに変換される一方、波長６１５ｎｍの光のみが発振してレーザ光として取り出されたものと考えられる。

一方、比較例４のように、波長６３５ｎｍの光に対する第２ミラー３２の反射率を、実施例１、実施例３、及び実施例４よりも極めて低い６０％とした場合には、第２ミラー３２から透過する波長６３５ｎｍの光量が増えた結果、発振に必要な量の波長６３５ｎｍの光が第２ミラー３２で反射されなかったことで、波長６３５ｎｍの光が発振しなかったものと推定される。

図５Ａ及び図５Ｂは、第２ミラー３２の設計例を示すデータであり、横軸が光の波長、縦軸が反射率を示している。なお、図５Ａ（ｂ）は、図５Ａ（ａ）の一部分を拡大して示したものである。図５Ａに示す例では、波長６０５ｎｍ以下、及び波長６５０ｎｍ以上の波長に対する反射率を５０％以下に設定している。一方、図５Ｂに示す例では、波長６０５ｎｍ近傍の波長、及び波長６４０ｎｍ以上の光に対する反射率を９７％より高く設定し、波長５８０ｎｍ以下の波長の光に対する反射率を５０％以下に設定している。いずれの条件においても、図４Ａに示すように、光ファイバー１３から波長６１５ｎｍと波長６３５ｎｍのレーザ光を同時に取り出すことができた。

図５Ａに示すような反射率を示す第２ミラー３２によれば、波長６０５ｎｍの光については多くの光量が第２ミラー３２から透過してしまうため、波長６０５ｎｍの光に対して発振条件を成立させなくすることができている。また、図５Ｂに示すような反射率を示す第２ミラー３２によれば、波長６０５ｎｍの光に対してはほとんどが反射してしまうために、光ファイバー１３の外部に取り出すことができず、光ファイバー１３内において反射を繰り返しながら熱エネルギーに変化しているものと推察される。

なお、図２のスペクトルによれば、波長６０５ｎｍについては、波長６３５ｎｍと同様に蛍光スペクトルのピーク値を形成している。上述した議論によれば、波長６３５ｎｍの光については、第２ミラー３２の反射率を８０％以上９７％以下とすることで、発振条件を形成することができた。これを踏まえれば、波長６０５ｎｍの光を光ファイバー１３内で発振させないようにするためには、第２ミラー３２の波長６３５ｎｍに対する反射率を８０％より低くするか、又は９７％より高くすればよく、より好ましくは、第２ミラー３２の反射率を７５％より低くするか、又は９８％以上とすればよい。

１ ： ファイバーレーザ
１１ ： レーザ光源素子
１２ ： 結合光学系
１３ ： 光ファイバー
２１ ： コア部
２２ ： クラッド部
２３ ： ジャケット部
２４ ： フェルール部
３１ ： 第１ミラー
３２ ： 第２ミラー

Claims (3)

1. 励起光を射出するレーザ光源素子と、コア部と前記コア部の外周に形成されたクラッド部を有する光ファイバーとを備え、前記励起光が前記コア部に導かれる構成であるファイバーレーザであって、
   前記光ファイバーは、
   母材がフッ化物ガラスで構成され、
   前記コア部にＰｒがドープされ、
   前記励起光が入射される第１端面に形成された第１ミラー、及び前記第１端面とは反対側の第２端面に形成され、前記第１ミラーと共に共振器ミラーを構成する第２ミラーを有し、
   前記第２ミラーは、波長６３５ｎｍの光に対する反射率が８０％以上９７％以下であり、波長６１３ｎｍ以上６２０ｎｍ以下の少なくともいずれか一の波長の光に対する反射率が９４％以上９７％以下であることを特徴とするファイバーレーザ。
2. 前記第２ミラーは、波長６１５ｎｍの光に対する反射率が９４％以上９７％以下であることを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザ。
3. 前記第２ミラーは、波長６０５ｎｍの光に対する反射率が８０％より低いか、又は９７％より高いことを特徴とする請求項１又は２に記載のファイバーレーザ。

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