JP2526407B2 - 波長可変レ―ザ―用単結晶 - Google Patents
波長可変レ―ザ―用単結晶Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光通信に利用される赤外
域波長帯で利用可能な波長可変レーザー用材料としての
イットリウム・アルミニウム・ガーネット(Y3Al5O12)
単結晶に関する。
域波長帯で利用可能な波長可変レーザー用材料としての
イットリウム・アルミニウム・ガーネット(Y3Al5O12)
単結晶に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
波長可変レーザー用単結晶としては、大別して、色中心
レーザー結晶と常磁性イオンレーザー結晶が用いられて
いる。色中心レーザー結晶は特殊な螢光特性を示す結晶
欠陥を含有する結晶であるが、これを用いたレーザー発
振装置では低温でなければ作動しない不便さがある。一
方、常磁性イオンレーザー結晶は発光イオンとして、遷
移金属元素や希土類元素を含有する結晶で、発振装置は
室温で作動する。
波長可変レーザー用単結晶としては、大別して、色中心
レーザー結晶と常磁性イオンレーザー結晶が用いられて
いる。色中心レーザー結晶は特殊な螢光特性を示す結晶
欠陥を含有する結晶であるが、これを用いたレーザー発
振装置では低温でなければ作動しない不便さがある。一
方、常磁性イオンレーザー結晶は発光イオンとして、遷
移金属元素や希土類元素を含有する結晶で、発振装置は
室温で作動する。
【0003】従来、利用可能と報告されている常磁性イ
オンレーザー結晶は多数に及ぶが、光通信に利用される
波長域に近いものとしてはCr4+:Mg2SiO4が知られ
ているが、これは波長可変域が1.130〜1.367μ
m程度とに限られており、しかも励起光としてNd:YA
Gレーザーが必要であることが欠点である。この他にE
r、Tm或いはHoを発光イオンとして用いた結晶が知ら
れているが、いずれも波長可変域が20nm以下であり、
実用性に問題がある。
オンレーザー結晶は多数に及ぶが、光通信に利用される
波長域に近いものとしてはCr4+:Mg2SiO4が知られ
ているが、これは波長可変域が1.130〜1.367μ
m程度とに限られており、しかも励起光としてNd:YA
Gレーザーが必要であることが欠点である。この他にE
r、Tm或いはHoを発光イオンとして用いた結晶が知ら
れているが、いずれも波長可変域が20nm以下であり、
実用性に問題がある。
【0004】また、Cr4+を発光イオンとして含むイッ
トリウム・アルミニウム・ガーネット(Y3Al5O12)単結
晶は、最近開発された常磁性イオンレーザー結晶の一つ
であり、1.36〜1.53μmで発振することが知られ
ている。しかし、この結晶の問題は、励起光として高価
なNd:YAGレーザーを用いる点にある。また発光可
変範囲も限られている。
トリウム・アルミニウム・ガーネット(Y3Al5O12)単結
晶は、最近開発された常磁性イオンレーザー結晶の一つ
であり、1.36〜1.53μmで発振することが知られ
ている。しかし、この結晶の問題は、励起光として高価
なNd:YAGレーザーを用いる点にある。また発光可
変範囲も限られている。
【0005】本発明の目的は、光通信に利用される波長
域での利用に際し、従来利用されている結晶の欠点を解
消して、小型で簡便な波長可変レーザー光源を実現し得
るレーザー用イットリウム・アルミニウム・ガーネット
(Y3Al5O12)単結晶を提供することにある。
域での利用に際し、従来利用されている結晶の欠点を解
消して、小型で簡便な波長可変レーザー光源を実現し得
るレーザー用イットリウム・アルミニウム・ガーネット
(Y3Al5O12)単結晶を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の手段として、本発明は、Nd3+及びCr4+を増感イオン
及び発光イオンとして含むことを特徴とする波長可変レ
ーザー用イットリウム・アルミニウム・ガーネット(Y3A
l5O12)単結晶を要旨としている。
の手段として、本発明は、Nd3+及びCr4+を増感イオン
及び発光イオンとして含むことを特徴とする波長可変レ
ーザー用イットリウム・アルミニウム・ガーネット(Y3A
l5O12)単結晶を要旨としている。
【0007】また、他の本発明は、上記の単結晶におい
て、Nd3+の励起光吸収帯を広げ、且つレーザー発振波
長域を短波長帯に広げるためにCa及びSiを添加した
て、Nd3+の励起光吸収帯を広げ、且つレーザー発振波
長域を短波長帯に広げるためにCa及びSiを添加した
【化3】 の組成を有することを特徴としている。
【0008】また、他の本発明は、上記の単結晶におい
て、Nd3+の励起光吸収帯を広げ、且つレーザー発振波
長域を長波長帯に広げるためにGaを添加した
て、Nd3+の励起光吸収帯を広げ、且つレーザー発振波
長域を長波長帯に広げるためにGaを添加した
【化4】 の組成を有することを特徴としている。
【0009】
【作用】以下に本発明を更に詳細に説明する。
【0010】本発明における波長可変レーザーとは、あ
る特定の波長範囲で自由に選んだ波長のレーザーを発振
する機器である。特に本発明では結晶やガラスを発振の
心臓部とする、固体レーザー技術と呼ばれる範疇の発振
機器を対象としている。
る特定の波長範囲で自由に選んだ波長のレーザーを発振
する機器である。特に本発明では結晶やガラスを発振の
心臓部とする、固体レーザー技術と呼ばれる範疇の発振
機器を対象としている。
【0011】ここで、光通信に利用される波長域とは光
の波長がおよそ1.2〜1.6μmの範囲である。また、
固体レーザー発振器とは、代表的なものとしてはファブ
リー・ペロー型共振器を基本とする発振装置であり、ラ
ンプ光、太陽光、レーザー光、或いは発光ダイオードか
らの光を励起光として利用できるように構成されている
ものを指す。しかし、ファブリー・ペロー型でなくても
結晶中を繰り返し通過することによりレーザー光の発振
が可能となる装置であれば何でもよい。
の波長がおよそ1.2〜1.6μmの範囲である。また、
固体レーザー発振器とは、代表的なものとしてはファブ
リー・ペロー型共振器を基本とする発振装置であり、ラ
ンプ光、太陽光、レーザー光、或いは発光ダイオードか
らの光を励起光として利用できるように構成されている
ものを指す。しかし、ファブリー・ペロー型でなくても
結晶中を繰り返し通過することによりレーザー光の発振
が可能となる装置であれば何でもよい。
【0012】本発明における波長同調手段とは、複屈折
板、プリズム、グレーティング、或いは、ろ波板等、特
定波長の光のみの透過を容易にする素子を利用すること
であるが、特定波長の微弱光を導入して発振を起こすイ
ンジェクション・ロッキングや、その他の特殊な波長選
択技術を用いてもよい。
板、プリズム、グレーティング、或いは、ろ波板等、特
定波長の光のみの透過を容易にする素子を利用すること
であるが、特定波長の微弱光を導入して発振を起こすイ
ンジェクション・ロッキングや、その他の特殊な波長選
択技術を用いてもよい。
【0013】本発明におけるイットリウム・アルミニウ
ム・ガーネットとは酸化イットリウムと酸化アルミニウ
ムを主成分とし、ガーネット型の結晶構造を持つ化合物
であり、Y3Al5O12の化学式を持っているものであ
る。イットリウム・アルミニウム・ガーネットは光学的に
等方的な結晶であるため、励起光の注入方向やレーザー
光の出射方向と結晶方位の関係を考慮する必要がないと
いう利点がある。
ム・ガーネットとは酸化イットリウムと酸化アルミニウ
ムを主成分とし、ガーネット型の結晶構造を持つ化合物
であり、Y3Al5O12の化学式を持っているものであ
る。イットリウム・アルミニウム・ガーネットは光学的に
等方的な結晶であるため、励起光の注入方向やレーザー
光の出射方向と結晶方位の関係を考慮する必要がないと
いう利点がある。
【0014】本発明は、このイットリウム・アルミニウ
ム・ガーネットにNd3+及びCr4+を増感イオン及び発光
イオンとして含むことを特徴とし、その理由は以下のと
おりである。
ム・ガーネットにNd3+及びCr4+を増感イオン及び発光
イオンとして含むことを特徴とし、その理由は以下のと
おりである。
【0015】すなわち、本発明における増感イオンは、
それ自身発光の機能を期待されているものではないが、
同時に添加された発光イオンの代わりに励起光エネルギ
ーを吸収し、そのエネルギーを効率よく発光イオンに伝
達する役割を果たすイオンである。本発明の中核をな
す、Nd3+の増感イオンとしての添加は、沢山のNd3+の
吸収帯が効果的に励起光エネルギーを吸収することと、
吸収したエネルギーが波長1.06μmの近傍の螢光にな
り、これがCr4+イオンが最も吸収し易い波長帯に相当
することにより、効果を発揮する。
それ自身発光の機能を期待されているものではないが、
同時に添加された発光イオンの代わりに励起光エネルギ
ーを吸収し、そのエネルギーを効率よく発光イオンに伝
達する役割を果たすイオンである。本発明の中核をな
す、Nd3+の増感イオンとしての添加は、沢山のNd3+の
吸収帯が効果的に励起光エネルギーを吸収することと、
吸収したエネルギーが波長1.06μmの近傍の螢光にな
り、これがCr4+イオンが最も吸収し易い波長帯に相当
することにより、効果を発揮する。
【0016】一方、本発明における発光イオンとは、媒
質結晶の中に一定量導入されて、効率の良い螢光を示す
イオンであり、この螢光イオンとしてのCr4+は本発明
の中核をなすものではないが、Cr4+イオンが結晶の中
の4個の酸素で囲まれる陽イオンの格子点に入ると、特
徴的な電子構造のために、広い波長にわたる螢光帯を示
す。この螢光帯がそのままレーザーの可変波長域として
利用できる。したがって、結晶中のCr4+は正しくこの
価数になっていなくてはならないが、Y3Al5O12結晶
中にはCr4+など電荷のバランスを保つためのイオンを
導入し、且つ、この価数の実現に必要な酸素分圧を持つ
雰囲気下で結晶を成長させることにより、これが可能と
なる。
質結晶の中に一定量導入されて、効率の良い螢光を示す
イオンであり、この螢光イオンとしてのCr4+は本発明
の中核をなすものではないが、Cr4+イオンが結晶の中
の4個の酸素で囲まれる陽イオンの格子点に入ると、特
徴的な電子構造のために、広い波長にわたる螢光帯を示
す。この螢光帯がそのままレーザーの可変波長域として
利用できる。したがって、結晶中のCr4+は正しくこの
価数になっていなくてはならないが、Y3Al5O12結晶
中にはCr4+など電荷のバランスを保つためのイオンを
導入し、且つ、この価数の実現に必要な酸素分圧を持つ
雰囲気下で結晶を成長させることにより、これが可能と
なる。
【0017】増感イオンとして含むNd3+の量、また螢
光イオンとして含むCr4+の量は、それぞれ適宜決める
ことができる。例えば、ガーネット1モルにつきNd2O
3及びCr2O3として、それぞれ0.001〜0.01モル
(0.1〜1%)を添加する。
光イオンとして含むCr4+の量は、それぞれ適宜決める
ことができる。例えば、ガーネット1モルにつきNd2O
3及びCr2O3として、それぞれ0.001〜0.01モル
(0.1〜1%)を添加する。
【0018】このように、螢光イオンとしてCr4+を含
むと共に、Nd3+を増感イオンとして含むY3Al5O12単
結晶の特徴は、光吸収帯の一つが励起光源として広く実
用化されているダイオード・レーザーの波長領域に一致
することである。この事実は、安価で小型の光源である
ダイオード・レーザーを用いて効率的な励起ができるこ
とを意味する。
むと共に、Nd3+を増感イオンとして含むY3Al5O12単
結晶の特徴は、光吸収帯の一つが励起光源として広く実
用化されているダイオード・レーザーの波長領域に一致
することである。この事実は、安価で小型の光源である
ダイオード・レーザーを用いて効率的な励起ができるこ
とを意味する。
【0019】更に、該単結晶のもう一つの特徴は広い螢
光波長域を持つことであり、しかも、この波長域は結晶
への添加元素を制御することにより自由に変えることが
できる。該結晶の螢光波長帯を図1に示す。この螢光波
長帯の大部分はレーザーの可変波長域として利用できる
が、これは、これまで知られている固体レーザーとして
の最大の可変波長域である。
光波長域を持つことであり、しかも、この波長域は結晶
への添加元素を制御することにより自由に変えることが
できる。該結晶の螢光波長帯を図1に示す。この螢光波
長帯の大部分はレーザーの可変波長域として利用できる
が、これは、これまで知られている固体レーザーとして
の最大の可変波長域である。
【0020】該単結晶の3番目の特徴は、光学的に等方
的で、且つ熱伝導率が大きいことである。これは、加工
用の大出力高速繰り返しパルスレーザーや連続発振レー
ザーに好都合な特徴である。
的で、且つ熱伝導率が大きいことである。これは、加工
用の大出力高速繰り返しパルスレーザーや連続発振レー
ザーに好都合な特徴である。
【0021】Nd3+を増感イオンとして含み、Cr4+を発
光イオンとして含むY3Al5O12単結晶をレーザー発振
素子として用いれば、1.2〜1.6μmの波長範囲で、
自由に波長を選べる波長可変レーザーが得られる効果が
ある。
光イオンとして含むY3Al5O12単結晶をレーザー発振
素子として用いれば、1.2〜1.6μmの波長範囲で、
自由に波長を選べる波長可変レーザーが得られる効果が
ある。
【0022】更に、本発明では、Ca及びSiを添加した
【化5】 の組成とすることにより、Nd3+の励起光吸収帯を広
げ、且つレーザー発振波長域を短波長帯に広げることが
できる。なお、Ca及びSiの添加量は多いほどよく、
0.1≦x≦3.0が望ましい。
げ、且つレーザー発振波長域を短波長帯に広げることが
できる。なお、Ca及びSiの添加量は多いほどよく、
0.1≦x≦3.0が望ましい。
【0023】また、Gaを添加した
【化6】 の組成とすることにより、Nd3+の励起光吸収帯を広
げ、且つレーザー発振波長域を長波長帯に広げることが
できる。なお、Gaの添加量は多いほどよく、0.1≦x
≦4.0が望ましい。
げ、且つレーザー発振波長域を長波長帯に広げることが
できる。なお、Gaの添加量は多いほどよく、0.1≦x
≦4.0が望ましい。
【0024】次に本発明の実施例を示す。
【0025】
【実施例1】酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ネオジム
(Nd2O3)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化カルシウ
ム(CaO)、酸化クロム(Cr2O3)をY:Nd:Al:C
a:Crが2.945:0.03:4.975:0.025:
0.025の比になるよう混合し、該混合物を棒状に成
形、酸素気流中で1820℃で2時間焼結して褐色の原
料棒を得た。別に準備したY3Al5O12の単結晶片を種
とし、雰囲気として空気を用いて集光式フローティング
ゾーン法により、直径7mm、長さ15mmの単結晶を得
た。この結晶から厚さ2mmの試料を切り出し、研磨して
吸収及び螢光スペクトルを測定した結果、Cr3+、Cr
4+、及びNd3+の吸収ピーク、及びCr4+の発光ピークを
得た。発光ピークが最大になる波長は1400nmであっ
た。805nmの波長のレーザーダイオードで励起し、エ
タロンを波長選択素子として用いることにより、1.3
2μm及び1.48μmでそれぞれレーザー発振を確認し
た。
(Nd2O3)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化カルシウ
ム(CaO)、酸化クロム(Cr2O3)をY:Nd:Al:C
a:Crが2.945:0.03:4.975:0.025:
0.025の比になるよう混合し、該混合物を棒状に成
形、酸素気流中で1820℃で2時間焼結して褐色の原
料棒を得た。別に準備したY3Al5O12の単結晶片を種
とし、雰囲気として空気を用いて集光式フローティング
ゾーン法により、直径7mm、長さ15mmの単結晶を得
た。この結晶から厚さ2mmの試料を切り出し、研磨して
吸収及び螢光スペクトルを測定した結果、Cr3+、Cr
4+、及びNd3+の吸収ピーク、及びCr4+の発光ピークを
得た。発光ピークが最大になる波長は1400nmであっ
た。805nmの波長のレーザーダイオードで励起し、エ
タロンを波長選択素子として用いることにより、1.3
2μm及び1.48μmでそれぞれレーザー発振を確認し
た。
【0026】
【実施例2】酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ネオジム
(Nd2O3)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化カルシウ
ム(CaO)、酸化クロム(Cr2O3)及び酸化ケイ素(SiO
2)をY:Nd:Al:Ca:Cr:Siが2.445:0.0
3:4.475:0.525:0.025:0.5の比にな
るよう混合し、該混合物を棒状に成形、酸素気流中で1
820℃で2時間焼結して褐色の原料棒を得た。別に準
備したY3Al5O12の単結晶片を種とし、雰囲気として
空気を用いて集光式フローティングゾーン法により、直
径7.5mm、長さ15mmの単結晶を得た。この結晶から
厚さ2mmの試料を切り出し、研磨して吸収及び螢光スペ
クトルを測定した結果、Cr3+、Cr4+、及びNd3+の吸
収ピーク、及びCr4+の発光ピークを得た。発光ピーク
が最大になる波長は1360nmであった。
(Nd2O3)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化カルシウ
ム(CaO)、酸化クロム(Cr2O3)及び酸化ケイ素(SiO
2)をY:Nd:Al:Ca:Cr:Siが2.445:0.0
3:4.475:0.525:0.025:0.5の比にな
るよう混合し、該混合物を棒状に成形、酸素気流中で1
820℃で2時間焼結して褐色の原料棒を得た。別に準
備したY3Al5O12の単結晶片を種とし、雰囲気として
空気を用いて集光式フローティングゾーン法により、直
径7.5mm、長さ15mmの単結晶を得た。この結晶から
厚さ2mmの試料を切り出し、研磨して吸収及び螢光スペ
クトルを測定した結果、Cr3+、Cr4+、及びNd3+の吸
収ピーク、及びCr4+の発光ピークを得た。発光ピーク
が最大になる波長は1360nmであった。
【0027】
【実施例3】酸化イットリウム(Y2O3)、酸化ネオジム
(Nd2O3)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化カルシウ
ム(CaO)、酸化クロム(Cr2O3)及び酸化ガリウム(Ga
2O3)をY:Nd:Al:Ca:Cr:Gaが2.945:0.
03:4.475:0.025:0.025:0.5の比に
なるよう混合し、該混合物を棒状に成形、酸素気流中で
1820℃で2時間焼結して褐色の原料棒を得た。別に
準備したY3Al5O12の単結晶片を種とし、雰囲気とし
て空気を用いて集光式フローティングゾーン法により、
直径7.5mm、長さ15mmの単結晶を得た。この結晶か
ら厚さ2mmの試料を切り出し、研磨して吸収及び螢光ス
ペクトルを測定した結果、Cr3+、Cr4+、及びNd3+の
吸収ピーク、及びCr4+の発光ピークを得た。発光ピー
クが最大になる波長は1360nmであった。
(Nd2O3)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化カルシウ
ム(CaO)、酸化クロム(Cr2O3)及び酸化ガリウム(Ga
2O3)をY:Nd:Al:Ca:Cr:Gaが2.945:0.
03:4.475:0.025:0.025:0.5の比に
なるよう混合し、該混合物を棒状に成形、酸素気流中で
1820℃で2時間焼結して褐色の原料棒を得た。別に
準備したY3Al5O12の単結晶片を種とし、雰囲気とし
て空気を用いて集光式フローティングゾーン法により、
直径7.5mm、長さ15mmの単結晶を得た。この結晶か
ら厚さ2mmの試料を切り出し、研磨して吸収及び螢光ス
ペクトルを測定した結果、Cr3+、Cr4+、及びNd3+の
吸収ピーク、及びCr4+の発光ピークを得た。発光ピー
クが最大になる波長は1360nmであった。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のイットリ
ウム・アルミニウム・ガーネット(Y3Al5O12)単結晶を
レーザー発振素子として用いることにより、1.2〜1.
6μmの波長範囲で、自由に波長を選べる波長可変レー
ザーが得られ、特にレーザーダイオードを励起光源とし
て用いれば、小型で効率のよいレーザー発振が可能であ
り、結果として、安価なレーザーが得られる効果があ
る。このような波長可変レーザーは、光通信関連の光信
号処理機器のための光源としてばかりでなく、リモート
センシング、気体分子種分析、医療、各種材料の加工、
選択的化学反応促進等、広い分野で応用が可能である。
ウム・アルミニウム・ガーネット(Y3Al5O12)単結晶を
レーザー発振素子として用いることにより、1.2〜1.
6μmの波長範囲で、自由に波長を選べる波長可変レー
ザーが得られ、特にレーザーダイオードを励起光源とし
て用いれば、小型で効率のよいレーザー発振が可能であ
り、結果として、安価なレーザーが得られる効果があ
る。このような波長可変レーザーは、光通信関連の光信
号処理機器のための光源としてばかりでなく、リモート
センシング、気体分子種分析、医療、各種材料の加工、
選択的化学反応促進等、広い分野で応用が可能である。
【図1】Nd3+及びCr4+を含むY3Al5O12単結晶の螢
光波長帯を示す図である。
光波長帯を示す図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 Nd3+及びCr4+を増感イオン及び発光イ
オンとして含むことを特徴とする波長可変レーザー用イ
ットリウム・アルミニウム・ガーネット(Y3Al5O12)単
結晶。 - 【請求項2】 Nd3+の励起光吸収帯を広げ、且つレー
ザー発振波長域を短波長帯に広げるためにCa及びSiを
添加した 【化1】 の組成を有することを特徴とする請求項1に記載の波長
可変レーザー用単結晶。 - 【請求項3】 Nd3+の励起光吸収帯を広げ、且つレー
ザー発振波長域を長波長帯に広げるためにGaを添加し
た 【化2】 の組成を有することを特徴とする請求項1に記載の波長
可変レーザー用単結晶。 - 【請求項4】 近赤外の波長域において通常の固体レー
ザー発振器構成に波長同調手段を講じて用いる用途であ
る請求項1、2又は3に記載の波長可変レーザー用単結
晶。 - 【請求項5】 励起光源としてダイオードレーザーを用
いる用途である請求項1、2、3又は4に記載の波長可
変レーザー用単結晶。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP35237293A JP2526407B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 波長可変レ―ザ―用単結晶 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP35237293A JP2526407B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 波長可変レ―ザ―用単結晶 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07291799A JPH07291799A (ja) | 1995-11-07 |
JP2526407B2 true JP2526407B2 (ja) | 1996-08-21 |
Family
ID=18423620
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP35237293A Expired - Lifetime JP2526407B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 波長可変レ―ザ―用単結晶 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2526407B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20090140630A1 (en) | 2005-03-18 | 2009-06-04 | Mitsubishi Chemical Corporation | Light-emitting device, white light-emitting device, illuminator, and image display |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3456557B2 (ja) * | 1995-05-08 | 2003-10-14 | 日本電信電話株式会社 | 光学材料及びその製造方法 |
JP4032682B2 (ja) | 2001-08-28 | 2008-01-16 | 三菱化学株式会社 | 蛍光体 |
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