JP2023121927A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力されるレーザ光のビームプロファイルを変更することができるレーザ装置を提供する。【解決手段】レーザ装置１は、活性元素が添加されたコア１１を含む増幅用光ファイバ１０と、活性元素を励起する励起光を出射可能な励起光源３と、デリバリファイバ５と、デリバリファイバ５の出力端６から出力されるレーザ光の焦点位置でのビームサイズを変更可能なズームユニット７１と、励起光源３とズームユニット７１とを互いに同期させて制御可能な制御部９とを備える。デリバリファイバ５は、少なくとも上記出力端６において、中心に位置する中心コア領域６１と、中心コア領域６１の周囲を覆い、中心コア領域６１の屈折率よりも高い屈折率を有する外側コア領域６２と、外側コア領域６２の周囲を覆い、外側コア領域６２の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド領域６３とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ装置に係り、特にファイバレーザを用いてレーザ光を出力するレーザ装置に関するものである。

ファイバレーザは、従来から金属材料の加工に用いられてきた炭酸ガスレーザと比べると、そのビーム品質が良く、ビームスポットを小さくすることができ、またパワー密度も大きいため、近年、金属材料などの切断や溶接、切削などの加工を行うために用いられることが多くなってきている。しかし、銅やアルミニウムなどの材料は、ファイバレーザの発振波長の光に対する吸収率が鉄などと比べて低く、これらの材料を加工するためには高いパワー密度のビームを照射する必要があり、従来から広く普及しているマルチモードファイバレーザでは加工が難しい。このため、銅やアルミニウムなどの材料を加工する際には、発振されるレーザ光の大部分が基本モードからなり、マルチモードファイバレーザに比べて高いパワー密度のレーザ光を出射可能なシングルモードファイバレーザを使用することが考えられる（例えば、特許文献１参照）。

一般的に、シングルモードファイバレーザから出力されるレーザ光は、図４Ａに示すようなガウシアン形のビームプロファイルを有しており、シングルモードファイバレーザを用いて加工対象物を加工する場合には、このようなガウシアン形のビームプロファイルを有するレーザ光が加工対象物に照射される。しかしながら、近年、レーザ加工の分野においては、加工速度や加工品質などの加工性能を向上する上で、加工対象物に照射するレーザ光のビームプロファイルを加工対象物の材料や厚みに合わせて変更することが求められている。

特開２００７－１３９８５７号公報

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、出力されるレーザ光のビームプロファイルを変更することができるレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、出力されるレーザ光のビームプロファイルを変更することができるレーザ装置が提供される。このレーザ装置は、活性元素が添加されたコアを含む増幅用光ファイバと、上記活性元素を励起する励起光を出射可能な励起光源と、上記増幅用光ファイバにおいて生成されるレーザ光を伝搬させることが可能なコアを含み、上記レーザ光を出力可能な出力端を有するデリバリファイバと、上記デリバリファイバの上記出力端から出力される上記レーザ光の焦点位置でのビームサイズを変更可能なズームユニットと、少なくとも上記励起光源と上記ズームユニットとを互いに同期させて制御可能な制御部とを備える。上記デリバリファイバは、少なくとも上記出力端において、半径方向に沿って屈折率が変化する複数の領域により構成される多段屈折率構造を有する。上記多段屈折率構造は、上記多段屈折率構造の中心に位置し、第１の屈折率を有する中心コア領域と、上記中心コア領域の周囲を覆い、上記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する外側コア領域と、上記外側コア領域の周囲を覆い、上記第１の屈折率よりも低い第３の屈折率を有するクラッド領域とを含む。

図１は、本発明の第１の実施形態におけるレーザ装置の構成を模式的に示す図である。 図２は、図１に示すレーザ装置における増幅用光ファイバの構造を模式的に示す断面図である。 図３は、図１に示すレーザ装置におけるデリバリファイバの構造を屈折率とともに模式的に示す断面図である。 図４Ａは、シングルモードファイバレーザから出力されるレーザ光のビームプロファイルの一例を模式的に示す図である。 図４Ｂは、図１に示すレーザ装置から出力されるレーザ光のビームプロファイルの一例を模式的に示す図である。 図４Ｃは、図１に示すレーザ装置から出力されるレーザ光のビームプロファイルの他の例を模式的に示す図である。 図５Ａは、図４Ｂに示すビームプロファイルを有するレーザ光のビーム形状を示す模式図である。 図５Ｂは、図５Ａに示すビーム形状をズームユニットによって変化させた例を示す模式図である。 図５Ｃは、図５Ａに示すビーム形状を焦点位置移動ユニットによって変化させた例を示す模式図である。 図５Ｄは、図５Ａに示すビーム形状を焦点位置移動ユニット及びズームユニットによって変化させた例を示す模式図である。 図６は、本発明の第２の実施形態におけるレーザ装置の構成を模式的に示す図である。

以下、本発明に係るレーザ装置の実施形態について図１から図６を参照して詳細に説明する。図１から図６において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図６においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。以下の説明では、特に言及がない場合には、「第１」や「第２」などの用語は、構成要素を互いに区別するために使用されているだけであり、特定の順位や順番を表すものではない。

図１は、本発明の第１の実施形態におけるレーザ装置１の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態におけるレーザ装置１は、ファイバレーザを用いたレーザ装置として構成されており、光共振器２と、光共振器２の一端側（上流側）から光共振器２に励起光を供給する複数の励起光源３と、複数の励起光源３から出力される励起光を結合して光共振器２に導入する光コンバイナ４と、光共振器２の他端側（下流側）に接続され、レーザ光を出力可能な出力端６を有するデリバリファイバ５と、デリバリファイバ５の出力端６に連結される出力ヘッド７と、加工対象物Ｗを保持するステージ８と、出力ヘッド７から加工対象物Ｗにレーザ光Ｌが照射される方向に垂直な平面内でステージ８を移動させる相対移動機構９０とを含んでいる。本明細書では、特に言及がない場合には、光共振器２から出力ヘッド７に向かってレーザ光が伝搬する方向を「下流側」といい、それとは逆の方向を「上流側」ということとする。

光共振器２は、レーザ光を増幅可能な増幅用光ファイバ１０と、所定の波長帯（例えば１０７０ｎｍ）の光を高い反射率（例えば１００％近い反射率）で反射する高反射部２１と、この波長の光を高反射部２１よりも低い反射率（例えば１０％の反射率）で反射する低反射部２２とを含んでいる。高反射部２１及び低反射部２２は、例えば、光の伝搬方向に沿って周期的に光ファイバの屈折率を変化させて形成したファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）やミラーにより構成される。図１に示す例では、高反射部２１及び低反射部２２をファイバブラッググレーティングにより構成している。

高反射部２１と増幅用光ファイバ１０とは融着接続部３１において互いに融着接続されており、高反射部２１と光コンバイナ４の光ファイバ４Ａとは融着接続部３２において互いに融着接続されている。また、低反射部２２と増幅用光ファイバ１０とは融着接続部３３において互いに融着接続されており、低反射部２２とデリバリファイバ５とは融着接続部３４において互いに融着接続されている。

図２は、増幅用光ファイバ１０の構造を模式的に示す断面図である。図２に示すように、増幅用光ファイバ１０は、コア１１と、コア１１の周囲を覆う内側クラッド層１２と、内側クラッド層１２の周囲を覆う外側クラッド層１３とを有している。コア１１は、例えば、石英に屈折率を上昇させるアルミニウムなどの元素を添加し、さらにその少なくとも一部に活性元素を添加することにより形成される。コア１１に添加される活性元素としては、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）やエルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、ネオジム（Ｎｄ）などの希土類元素、ビスマス（Ｂｉ）やクロム（Ｃｒ）などが挙げられる。本実施形態では、Ｙｂを増幅用光ファイバ１０のコア１１に添加する例について説明するが、これに限られるものではない。

内側クラッド層１２は、例えばドーパントが添加されない石英から形成される。内側クラッド層１２の屈折率はコア１１の屈折率よりも低くなっており、コア１１の内側には光導波路が形成される。外側クラッド層１３は、例えば紫外線硬化樹脂から形成される。外側クラッド層１３の屈折率は内側クラッド層１２の屈折率よりも低くなっており、内側クラッド層１２の内側にも光導波路が形成される。

励起光源３のそれぞれは、例えばＧａＡｓ系半導体を材料とするファブリペロー型の半導体レーザ素子を含むものであり、例えば中心波長９１５ｎｍの励起光を生成するものである。励起光源３から延びる光ファイバ３Ａは、融着接続部３５において光コンバイナ４の光ファイバ４Ｂと融着接続されている。光コンバイナ４は、複数の励起光源３から出力される励起光を結合してこの励起光を増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２に導入するように構成されている。

図３は、デリバリファイバ５の構造を屈折率とともに模式的に示す断面図である。図３に示すように、デリバリファイバ５は、コア５０と、コア５０の周囲を覆うクラッド５１と、クラッド５１の周囲を覆う被覆層５２とを有している。クラッド５１の屈折率はコア５０の屈折率よりも低くなっており、コア５０の内側には光導波路が形成される。例えば、コア５０は石英に屈折率を上昇させるアルミニウムなどの元素を添加することにより形成され、クラッド５１は石英から形成される。クラッド５１の屈折率は例えば１．４５である。

本実施形態におけるデリバリファイバ５は、半径方向に沿って屈折率が変化する複数の領域から構成される多段屈折率構造６０を有している。具体的には、図３に示すように、デリバリファイバ５は、コア５０の中心に位置し、クラッド５１の屈折率以上の屈折率を有する中心コア領域６１と、中心コア領域６１の周囲を覆い、中心コア領域６１の屈折率よりも高い屈折率を有する外側コア領域６２と、外側コア領域６２の周囲を覆い、中心コア領域６１の屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド領域６３とから構成される多段屈折率構造６０を有している。例えばクラッド領域６３に対する中心コア領域６１の比屈折率差は０．０１％～０．０９％、クラッド領域６３に対する外側コア領域６２の比屈折率差は０．１％～０．１５％である。

光共振器２において、増幅用光ファイバ１０の内側クラッド層１２を伝搬する励起光は、コア１１を通過する際にＹｂに吸収され、このＹｂが励起されて自然放出光が生じる。Ｙｂの励起により生じた自然放出光は、高反射部２１と低反射部２２との間で再帰的に反射され、特定の波長（例えば１０６４ｎｍ）の光が増幅されてレーザ発振が生じる。光共振器２で増幅されたレーザ光は、増幅用光ファイバ１０のコア１１内を伝搬し、その一部が低反射部２２を透過して下流側に伝搬する。低反射部２２を透過したレーザ光は、デリバリファイバ５を通って出力端６から出力ヘッド７に導入され、出力ヘッド７から例えば金属材料などの加工対象物Ｗに向けて出射される。

本実施形態におけるデリバリファイバ５のコア５０は、増幅用光ファイバ１０において増幅されるレーザ光の波長（例えば１０６４ｎｍ）の光が伝搬する場合に、シングルモードの光又はフューモードの光が伝搬できるように構成されている。例えば、フューモードの光が伝搬できるようにコア５０が構成されている場合、基本モードであるＬＰ０１モードの光に加えて、ＬＰ１１モードの光もコア５０を伝搬する。ここで、フューモードとは２から１０程度のＬＰ（Linearly Polarized）モードを意味する。あるいは、マルチモードの光が伝搬できるようにコア５０を構成してもよい。このように、デリバリファイバ５のコア５０にシングルモードの光又はフューモードの光を伝搬させるようにすることで、デリバリファイバ５のコア５０にマルチモードの光を伝搬させる場合と比較して、出力されるレーザ光のパワー密度を上げることができる。

本実施形態におけるデリバリファイバ５は、上述したような多段屈折率構造６０を有しており、クラッド領域６３に対する中心コア領域６１の比屈折率差が外側コア領域６２の比屈折率差よりも小さいため、外側コア領域６２における光の閉じ込め効果が中心コア領域６１における光の閉じ込め効果よりも高くなる。したがって、このような多段屈折率構造６０にレーザ光を伝搬させると、図４Ａに示すようなガウシアン形のビームプロファイルに比べて中心コア領域６１におけるパワー密度を低くすることができる。このため、デリバリファイバ５の出力端６からは、図４Ｂに示すようなリング形のビームプロファイルや図４Ｃに示すようなトップハット形のビームプロファイルのレーザ光を出射することができる。例えば、図４Ｂに示すようなリング形のビームプロファイルを有するレーザ光のビーム形状は、図５Ａに示すようにリング状にパワー密度の高い部分８１を有している。

図１に示すように、出力ヘッド７は、上記のようにデリバリファイバ５の出力端６から出力されるレーザ光の焦点位置を光軸方向に沿って移動可能な焦点位置移動ユニット７１と、レーザ光の焦点位置でのビームサイズを変更可能なズームユニット７２とを内部に含んでいる。焦点位置移動ユニット７１は、１枚以上のレンズを光軸に沿って移動可能な機構を有しており、例えばＺスキャナと呼ばれるものである。また、ズームユニット７２は、１枚以上のレンズを光軸に沿って移動可能なズームレンズ機構により構成される。焦点位置移動ユニット７１及びズームユニット７２を通過したレーザ光Ｌは、出力ヘッド７からステージ８上の加工対象物Ｗに向けて照射される。

また、レーザ装置１は、励起光源３、焦点位置移動ユニット７１、及びズームユニット７２を制御する制御部９を備えている。この制御部９は、例えば励起光源３に供給する電流を制御することなどによって、励起光源３の出力を制御し、出力ヘッド７内の焦点位置移動ユニット７１及びズームユニット７２に制御信号を供給することなどによって、それぞれのユニット７１，７２内でレンズを移動させて、出力ヘッド７から照射されるレーザ光Ｌの焦点位置又はレーザ光Ｌの焦点位置でのビームサイズを制御できるようになっている。

制御部９は、励起光源３、焦点位置移動ユニット７１、及びズームユニット７２を互いに同期させて制御できるようになっている。換言すれば、制御部９は、励起光源３の出力に応じて出力ヘッド７から出射されるレーザ光Ｌの焦点位置及びレーザ光Ｌの焦点位置でのビームサイズを調整できるようになっている。例えば、デリバリファイバ５の出力端６から出力されるレーザ光のビーム形状が図５Ａに示すようなものであるとすると、制御部９によってズームユニット７２を駆動して、レーザ光Ｌの焦点位置でのビームサイズを図５Ｂに示すように小さくすることで、図５Ａのレーザ光に比べて中央部分のパワー密度を高くすることができる。また、例えば、制御部９は、ズームユニット７２によってビームサイズを時間的に変化させつつ、励起光源３の出力を変化させて加工対象物Ｗに照射されるレーザ光Ｌのビームプロファイルを任意に変化させることができる。

また、制御部９によって焦点位置移動ユニット７１を駆動して、レーザ光Ｌの焦点位置を光軸方向の下流側に移動させることで、図５Ｃに示すように、加工対象物Ｗに照射されるレーザ光のパワー密度の高いリング状の部分８２を図５Ａのリング状の部分８１に比べて太くすることができる。さらにズームユニット７２を組み合わせることにより、図５Ｄに示すように、図５Ｃに示すビームサイズを小さくすることも可能である。

本実施形態では、出力ヘッド７に焦点位置移動ユニット７１とズームユニット７２とが設けられているが、ズームユニット７２のみを出力ヘッド７に設けてもよい。また、本実施形態におけるデリバリファイバ５は、その全長にわたって上述した多段屈折率構造６０を有しているものとして説明したが、出力ヘッド７に入力されるレーザ光のビーム形状を制御するためには、少なくともデリバリファイバ５の出力端６において上述した多段屈折率構造６０を有していればよい。

上述した実施形態におけるレーザ装置１は、光共振器２の上流側から励起光を導入する前方励起型のファイバレーザを含んでいるが、本発明は、光共振器２の下流側から励起光を導入する後方励起型のファイバレーザを含むレーザ装置にも適用できるものである。さらに、本発明は、光共振器２の両側から励起光を導入する双方励起型のファイバレーザを含むレーザ装置にも適用できるものである。

図６は、本発明の第２の実施形態におけるレーザ装置１０１の構成を模式的に示す図である。本実施形態におけるレーザ装置１０１は、第１の実施形態における励起光源３、光コンバイナ４、及び光共振器２を含むファイバレーザユニット１１０を複数台備えている。それぞれのファイバレーザユニット１１０の低反射部２２は、融着接続部３４においてデリバリファイバ１０５と融着接続されている。これらのデリバリファイバ１０５は光コンバイナ１０４に接続されており、光コンバイナ１０４は、複数のファイバレーザユニット１１０から出力されるレーザ光を結合するように構成されている。光コンバイナ１０４には上述したデリバリファイバ５が接続されており、このデリバリファイバ５の出力端６に出力ヘッド７が連結されている。この場合には、マルチモードの光がデリバリファイバ５のコア５０を伝搬することになる。制御部９は、複数のファイバレーザユニット１１０内の励起光源３、焦点位置移動ユニット７１、及びズームユニット７２を互いに同期させて制御できるようになっている。

また、上述したいずれの実施形態においても、制御部９は、励起光源３、焦点位置移動ユニット７１、及びズームユニット７２に加えて、相対移動機構９０を同期的に制御してもよい。この場合には、上述した加工対象物Ｗに照射されるレーザ光Ｌのビームプロファイルを変化させつつ、レーザ光Ｌと加工対象物Ｗとを相対的に移動させることができる。したがって、加工対象物Ｗの加工位置に応じた好適なビームプロファイルのレーザ光Ｌを加工対象物Ｗに照射することができる。

以上述べたように、本発明の一態様によれば、出力されるレーザ光のビームプロファイルを変更することができるレーザ装置が提供される。このレーザ装置は、活性元素が添加されたコアを含む増幅用光ファイバと、上記活性元素を励起する励起光を出射可能な励起光源と、上記増幅用光ファイバにおいて生成されるレーザ光を伝搬させることが可能なコアを含み、上記レーザ光を出力可能な出力端を有するデリバリファイバと、上記デリバリファイバの上記出力端から出力される上記レーザ光の焦点位置でのビームサイズを変更可能なズームユニットと、少なくとも上記励起光源と上記ズームユニットとを互いに同期させて制御可能な制御部とを備える。上記デリバリファイバは、少なくとも上記出力端において、半径方向に沿って屈折率が変化する複数の領域により構成される多段屈折率構造を有する。上記多段屈折率構造は、上記多段屈折率構造の中心に位置し、第１の屈折率を有する中心コア領域と、上記中心コア領域の周囲を覆い、上記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する外側コア領域と、上記外側コア領域の周囲を覆い、上記第１の屈折率よりも低い第３の屈折率を有するクラッド領域とを含む。

このようなレーザ装置によれば、デリバリファイバの少なくとも出力端が多段屈折率構造を有しているため、デリバリファイバの少なくとも出力端において外側コア領域における光の閉じ込め効果が中心コア領域における光の閉じ込め効果よりも高くなる。したがって、このような多段屈折率構造にレーザ光を伝搬させることにより、ガウシアン形のビームプロファイルに比べて中心コア領域におけるパワー密度を低くしたレーザ光を出射することができる。そして、このような中心コア領域におけるパワー密度を低くしたレーザ光のビームサイズを励起光源の出力と同期させて変更することができるため、出力されるレーザ光のビームプロファイルを簡単に変化させることができる。

上記デリバリファイバの上記コアは、上記増幅用光ファイバにおいて生成されるレーザ光の波長においてシングルモード又はフューモードの光を伝搬させるように構成されていてもよい。あるいは、上記デリバリファイバの上記コアは、上記増幅用光ファイバにおいて生成されるレーザ光の波長においてマルチモードの光を伝搬させるように構成されていてもよい。

上記レーザ装置は、上記デリバリファイバの上記出力端から出力される上記レーザ光の上記焦点位置を光軸方向に沿って移動可能な焦点位置移動ユニットをさらに備えていてもよい。この場合において、上記制御部は、上記励起光源と上記ズームユニットと上記焦点位置移動ユニットとを互いに同期させて制御するように構成されることが好ましい。このような焦点位置移動ユニットを励起光源及びズームユニットと同期させて動作させることで、出力されるレーザ光のビームプロファイルをより柔軟に変化させることができる。

上記レーザ装置は、加工対象物を保持するステージと、上記加工対象物に向けて上記レーザ光を照射する出力ヘッドと、上記加工対象物と上記加工対象物に向けて照射される上記レーザ光とを相対的に移動させることが可能な相対移動機構とをさらに備えていてもよい。この場合において、上記制御部は、上記励起光源と上記ズームユニットと上記相対移動機構とを互いに同期させて制御するように構成されることが好ましい。このような相対移動機構を励起光源及びズームユニットと同期させて動作させることで、加工対象物の位置に応じた好適なビームプロファイルのレーザ光を加工対象物に照射することができる。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１，１０１ レーザ装置
２ 光共振器
３ 励起光源
４，１０４ 光コンバイナ
５，１０５ デリバリファイバ
６ 出力端
７ 出力ヘッド
８ ステージ
９ 制御部
１０ 増幅用光ファイバ
１１ コア
１２ 内側クラッド層
１３ 外側クラッド層
２１ 高反射部
２２ 低反射部
３１～３５ 融着接続部
５０ コア
５１ クラッド
５２ 被覆層
６０ 多段屈折率構造
６１ 中心コア領域
６２ 外側コア領域
６３ クラッド領域
７１ 焦点位置移動ユニット
７２ ズームユニット
９０ 相対移動機構
１１０ ファイバレーザユニット

Claims (5)

1. 活性元素が添加されたコアを含む増幅用光ファイバと、
   前記活性元素を励起する励起光を出射可能な励起光源と、
   前記増幅用光ファイバにおいて生成されるレーザ光を伝搬させることが可能なコアを含み、前記レーザ光を出力可能な出力端を有するデリバリファイバと、
   前記デリバリファイバの前記出力端から出力される前記レーザ光の焦点位置でのビームサイズを変更可能なズームユニットと、
   少なくとも前記励起光源と前記ズームユニットとを互いに同期させて制御可能な制御部と
   を備え、
   前記デリバリファイバは、少なくとも前記出力端において、半径方向に沿って屈折率が変化する複数の領域により構成される多段屈折率構造を有し、
   前記多段屈折率構造は、
   前記多段屈折率構造の中心に位置し、第１の屈折率を有する中心コア領域と、
   前記中心コア領域の周囲を覆い、前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する外側コア領域と、
   前記外側コア領域の周囲を覆い、前記第１の屈折率よりも低い第３の屈折率を有するクラッド領域と
   を含む、
   レーザ装置。
2. 前記デリバリファイバの前記コアは、前記増幅用光ファイバにおいて生成されるレーザ光の波長においてシングルモード又はフューモードの光を伝搬させるように構成されている、請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記デリバリファイバの前記コアは、前記増幅用光ファイバにおいて生成されるレーザ光の波長においてマルチモードの光を伝搬させるように構成されている、請求項１に記載のレーザ装置。
4. 前記デリバリファイバの前記出力端から出力される前記レーザ光の前記焦点位置を光軸方向に沿って移動可能な焦点位置移動ユニットをさらに備え、
   前記制御部は、前記励起光源と前記ズームユニットと前記焦点位置移動ユニットとを互いに同期させて制御するように構成される、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
5. 加工対象物を保持するステージと、
   前記加工対象物に向けて前記レーザ光を照射する出力ヘッドと、
   前記加工対象物と前記加工対象物に向けて照射される前記レーザ光とを相対的に移動させることが可能な相対移動機構と
   をさらに備え、
   前記制御部は、前記励起光源と前記ズームユニットと前記相対移動機構とを互いに同期させて制御するように構成される、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ装置。

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