JP4114619B2 - 光ファイバ及びファイバレーザ発振装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ活性物質を含むコア部材と励起光を透過させるクラッド部材とを有し、特にファイバレーザ発振装置に用いる光ファイバに関する。

従来より、比較的ビーム品質の劣る励起光を用いて非常に高品質のレーザ光を高効率で得ることができる種々のファイバレーザ発振装置が提案されている。
図４（Ａ）に示すようにファイバレーザに用いられる一般的な光ファイバ２ｚは、断面の中心にコア部材１０（シングルモードのレーザ光を透過させ、希土類元素（Ｎｄ、Ｅｒ）等がドープされた直径２〜１２［μｍ］程度のファイバ形状の部材）を有している。そして、コア部材１０の周囲に、コア部材１０よりも低い屈折率を持つ第１クラッド部材２１（励起光Ｌｉｎを透過させる部材）を有することで、出力レーザ光Ｌｏｕｔをコア部材１０内に閉じ込めている。更に第１クラッド部材２１の周囲に、第１クラッド部材２１の屈折率よりも低い屈折率を持つ第２クラッド部材２２ｚを有することで、励起光Ｌｉｎを第１クラッド部材２１内に閉じ込めている。
そして、この光ファイバ２ｚに入射された励起光Ｌｉｎがコア部材１０を通ると（コア部材１０に衝突すると）コア部材１０内の希土類元素が励起されて出力レーザ光Ｌｏｕｔが発生し、コア部材１０内にはシングルモードの出力レーザ光Ｌｏｕｔが残る。この出力レーザ光Ｌｏｕｔは、小径（コア部材１０の径に依存する）であり、かつ広がり角が小さい（出力レーザ光Ｌｏｕｔの波長、コア部材１０及び第１クラッド部材２１の屈折率等に依存する）ため、ビーム品質が非常に高い（出力レーザ光Ｌｏｕｔのビーム品質は、出射光の半径と、出射光の広がり角の半角との積で表され、この積が小さい程ビーム品質が高い）。そして出力レーザ光Ｌｏｕｔは集光レンズ４２を用いて集光され、種々の用途に用いられる。

なお、一般的な光ファイバ２ｚでは、より高品質なレーザ光を得るためにコア部材１０の径は約２〜１２［μｍ］に設定されており、第１クラッド部材２１の径は約数１００〜１０００［μｍ］に設定されている。
従って、図４（Ａ）の例に示す端面励起型ファイバレーザ発振装置では、励起光Ｌｉｎを入射する第１クラッド部材２１の端面の面積が小さいため、比較的大出力の出力レーザ光Ｌｏｕｔを発生させることは非常に困難である。また、第１クラッド部材２１の断面積に対するコア部材１０の断面積が非常に小さく、励起光Ｌｉｎがコア部材１０を通る確率もあまり高くなく、発振効率が高くない。
なお、励起光Ｌｉｎは比較的ビーム品質が劣るので、コア部材１０に衝突するように狙って入射することは非常に困難である。

そこで、特許文献１に示す従来技術では、図４（Ｂ）に示すように、コア部材１０を平面に渦巻き状に配置し、コア部材１０を略円柱状（円盤状）の第１クラッド部材２１内に収めている。そして第１クラッド部材２１の上下の底面に第２クラッド部材２２ｚ（底屈折率層）を形成し、第１クラッド部材２１の側面には励起光Ｌｉｎを第１クラッド部材２１内に導入するレンズダクトＬＤを設けている。そして、渦巻き状のコア部材１０の一方の終端にはミラー４４が設けられ、他方の終端からは出力レーザ光Ｌｏｕｔが出力される。また、第２クラッド部材２２ｚの下には熱伝導シートＴｈが設けられ、熱伝導シートＴｈは水冷ユニットＷＵと当接している。
これにより、レンズダクトＬＤからより多くの励起光Ｌｉｎを導入して大出力の出力レーザ光Ｌｏｕｔを得るとともに、発熱したコア部材１０を水冷ユニットＷＵにて冷却している。
特開２００１−１１９０８４号公報

一般的なファイバレーザ発振装置に用いる光ファイバ２ｚにおいて、第１クラッド部材２１の直径は数１００〜１０００［μｍ］である。従来の端面励起型ファイバレーザ発振装置の励起光Ｌｉｎに半導体レーザを用いた場合、比較的大きな出力の励起光Ｌｉｎを第１クラッド部材２１の端面に集光することは困難である（半導体レーザは一般的にビーム品質が悪く集光性が比較的悪いため）。
また、特許文献１に記載の従来技術では、比較的大出力の出力レーザ光Ｌｏｕｔを得ることができるが、出力が大きくなるにつれ、コア部材１０の発熱量も増大する。発熱が増大すると発振閾値が高くなり、レーザ発振のためのエネルギーがより多く必要となるため、出力レーザ光Ｌｏｕｔの発振効率が低下する。そこで特許文献１の従来技術では水冷ユニットＷＵにて冷却を行っているが、発熱するコア部材１０と水冷ユニットＷＵとの間の距離、及び間の部材（熱伝導シートＴｈ、第２クラッド部材２２ｚ、第１クラッド部材２１）に影響され、コア部材１０を効率的に冷却することが困難である。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、より効率的にコア部材を冷却することができ、レーザ光の発振効率の低下を抑制することができる光ファイバを提供することを課題とする。

上記課題を解決するための手段として、本実施の形態に記載の光ファイバは、レーザ活性物質を含む略柱状のコア部材を、少なくとも一部を覆うように長手軸方向に含むとともに、コア部材よりも小さな屈折率を有し且つコア部材の径よりも大きな径を有する略柱状のクラッド部材と、クラッド部材の径よりも大きな径を有し、内部に且つ長手軸方向にクラッド部材を収容可能な略筒状のケース部材とで構成された光ファイバであって、ケース部材とクラッド部材との間には径方向に空間部が形成されており、当該空間部はクラッド部材の屈折率より小さな屈折率を有する冷却媒体で充填されている。

また、本実施の形態に記載の光ファイバのケース部材の内壁には、長手軸方向に螺旋状の凹部または凸部が設けられている。

また、本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりの光ファイバである。
請求項１に記載の光ファイバは、レーザ活性物質を含むコア部材と、前記コア部材よりも小さな屈折率を有するクラッド部材と、で構成された光ファイバである。
前記コア部材の形状は略柱状であり、前記クラッド部材の形状は略筒状であり、前記クラッド部材は、前記コア部材の径よりも大きな径を有し、前記コア部材の少なくとも一部を覆うように当該コア部材を長手軸方向に含む。
そして、略筒状の前記クラッド部材の長手軸方向に形成された空間部は、前記クラッド部材の屈折率よりも小さな屈折率を有する冷却媒体で充填されており、更に前記コア部材は、前記クラッド部材の長手軸方向に対して螺旋状に配置されている。

また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりのファイバレーザ発振装置である。
請求項２に記載のファイバレーザ発振装置は、請求項１に記載の光ファイバと、前記光ファイバのコア部材を励起してレーザ光を発生させる励起光を出射する励起光照射手段と、冷却媒体循環手段と、を備える。
そして、前記冷却媒体循環手段を用いて、前記クラッド部材の屈折率よりも小さな屈折率を有する冷却媒体を、筒状の前記クラッド部材の空間部に通して循環させ、前記クラッド部材に前記励起光照射手段からの励起光を導光して前記コア部材を励起してレーザ光を発生させるファイバレーザ発振装置である。

本実施の形態に記載の光ファイバでは、コア部材の少なくとも一部がクラッド部材（第１クラッド部材）に覆われるように長手軸方向に配置されており、冷却媒体にて第２クラッド部材を構成している。
このため、コア部材のより近い位置を冷却することができ、より効率的にコア部材を冷却することができる。

また、本実施の形態に記載の光ファイバでは、ケース部材の内壁に螺旋状の凹部または凸部を設けているため、冷却媒体を循環させた場合、冷却媒体をケース部材の内壁の螺旋状の凹部または凸部に沿って流すことができる。
このため、冷却媒体をクラッド部材の側面を螺旋状にまんべんなく流すことができ、より効率的にコア部材を冷却することができる。

また、請求項１に記載の光ファイバでは、クラッド部材の形状を柱状でなく筒状に形成する。そして筒状の軸方向に形成された空間部を冷却媒体で充填する。請求項１ではクラッド部材の内側から冷却する。また、この冷却媒体の屈折率を第１クラッド部材より小さく設定すると第２クラッド部材として用いることができ、冷却媒体の屈折率を第１クラッド部材とほぼ同じに設定すると第１クラッド部材として用いることができる。
このため、コア部材のより近い位置を冷却することができ、より効率的にコア部材を冷却することができる。

また、本実施の形態に記載の光ファイバでは、コア部材がクラッド部材の縁部（側面の表面近く）に螺旋状に配置されているため、クラッド部材内に閉じ込められて全反射している励起光が通る確率が高く、更に冷却媒体との距離も非常に短くなる。
このため、より効率的にコア部材を冷却することができ、励起する確率の向上と冷却効率の向上とで、発振効率をより向上させることができる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。図１（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の光ファイバ２の概略構造を示している。
●［光ファイバの概略構造（図１）］
図１（Ａ）〜（Ｄ）に示す光ファイバ２の図は各々、左図が軸ＣＺに垂直な断面を示しており、右図が軸ＣＺに平行な断面を示している。
光ファイバ２は、略柱状（円柱形状等）のコア部材１０を長手軸方向に有しており、コア部材１０にはレーザ活性物質（希土類元素であるＮｄ、Ｅｒ等）がドープされている。また、コア部材１０はクラッド部材２１（以下、クラッド部材２１を「第１クラッド部材２１」と記載する）に少なくとも一部が覆われるように長手軸方向に配置されており「コア部材１０の径＜第１クラッド部材２１の径」に設定されている。

［図１（Ａ）に示す光ファイバ］
図１（Ａ）に示す光ファイバ２では、第１クラッド部材２１が略柱状（円柱形状または多角柱形状等）であり、当該第１クラッド部材２１が略筒状（円筒形状または多角筒形状等）のケース部材３０内に、ケース部材３０の長手軸方向（Ｚ軸方向）に収められている。
また、ケース部材３０と第１クラッド部材２１との間には径方向に所定間隙が設けられており、ケース部材３０と第１クラッド部材２１との間には径方向に空間部Ｋを形成している。この空間部Ｋに冷却媒体（冷却水、冷却油、冷却用気体等）を充填する。もちろん、冷却媒体は循環させることが好ましい。また、冷却媒体は以下に説明する所定の屈折率を有することが必要である。
なお、各部材の屈折率は、コア部材１０の屈折率をｎ１０、第１クラッド部材２１の屈折率をｎ２１、冷却媒体の屈折率をｎ２２とすると、ｎ１０＞ｎ２１＞ｎ２２となるように設定し、冷却媒体と第２クラッド部材とを兼用している。
そして、励起光は第１クラッド部材２１の端面（軸ＣＺに垂直な面）から入射される。

なお、コア部材１０は、第１クラッド部材２１内に１本のみでなく、複数本を配置するようにしてもよい。また、コア部材１０は第１クラッド部材２１の軸方向に配置してあればどこに配置されていてもよいが、図１（Ａ）に示すように第１クラッド部材２１の縁部に配置すると、第１クラッド部材２１内を全反射しながら伝播する励起光がコア部材１０を通る確率が向上するとともに、冷却媒体と近接するため、より好ましい。これにより、光ファイバ２の端面から入射された励起光（例えば半導体レーザ光）が第１クラッド部材２１の外周部で全反射しながら進行しても、より確実に励起光をコア部材１０に衝突させて、コア部材１０のレーザ活性物質を励起して出力レーザ光を発生させることができるとともに、コア部材１０を効率良く冷却することができる。
また、屈折率の関係をｎ１０＞ｎ２１≧ｎ２２としてもよい。ｎ２１＝ｎ２２に設定した場合、ケース部材３０の内壁は励起光を全反射する部材でコーティングされている。ここで、ケース部材３０の内壁で励起光が全反射するような屈折率を持つ材質でケース部材３０を形成してもよい。

［図１（Ｂ）に示す光ファイバ］
次に図１（Ｂ）に示す光ファイバ２の構造について、図１（Ａ）に示した光ファイバ２との相違点を説明する。
図１（Ｂ）に示す光ファイバ２は、図１（Ａ）に示す光ファイバ２に対して、コア部材１０が第１クラッド部材２１の長手軸方向（軸ＣＺの方向）に螺旋状に配置されている。更にコア部材１０は第１クラッド部材２１の縁部（この場合、第１クラッド部材２１の側面近く）に配置されている。このため、第１クラッド部材２１内を全反射しながら伝播する励起光がコア部材１０を通る確率が向上する。また、コア部材１０と冷却媒体（空間部Ｋに充填されている）との距離がほとんどなくなり、コア部材１０をより効率的に冷却することができる。

［図１（Ｃ）に示す光ファイバ］
次に図１（Ｃ）に示す光ファイバ２の構造について、図１（Ａ）に示した光ファイバ２との相違点を説明する。
図１（Ｃ）に示す光ファイバ２は、図１（Ａ）に示す光ファイバ２に対して、第１クラッド部材２１の形状が略柱状から略筒状に変更されている。また、ケース部材３０が省略されている。そして、冷却媒体を第１クラッド部材２１の内側に形成した空間部Ｋに充填する（冷却媒体は循環させることが好ましい点は同じ）。この例では、第１クラッド部材２１の径方向における実体部の厚さはコア部材１０の径よりも大きく設定している。従って第１クラッド部材２１の側面（外側及び内側）を凹凸のない形状に仕上げることができるので、第１クラッド部材２１の側面での励起光の乱反射を防止することができる。
なお、各部材の屈折率は、コア部材１０の屈折率をｎ１０、第１クラッド部材２１の屈折率をｎ２１、冷却媒体の屈折率をｎ２２とすると、ｎ１０＞ｎ２１＞ｎ２２、且つｎ２１＞空気の屈折率となるように設定し、第１クラッド部材２１の内側では冷却媒体と第２クラッド部材とを兼用し、第１クラッド部材２１の外側では空気と第２クラッド部材とを兼用している。もちろん第１クラッド部材２１の外側を、第１クラッド部材２１よりも小さな屈折率を有する第２クラッド部材（セラミックス前駆体等）で覆ってもよいし、図１（Ａ）に示すようにケース部材３０内に収め、第１クラッド部材２１の外側を冷却媒体で充填させてもよい。
また、屈折率の関係をｎ１０＞ｎ２１≧ｎ２２としてもよい。ｎ２１＝ｎ２２に設定した場合、冷却媒体を第１クラッド部材２１とみなすことができる。

［図１（Ｄ）に示す光ファイバ］
次に図１（Ｄ）に示す光ファイバ２の構造について、図１（Ｃ）に示した光ファイバ２との相違点を説明する。
図１（Ｄ）に示す光ファイバ２は、図１（Ｃ）に示す光ファイバ２に対して、コア部材１０が第１クラッド部材２１の長手軸方向（軸ＣＺの方向）に螺旋状に配置されている。更にコア部材１０は第１クラッド部材２１の縁部（この場合、第１クラッド部材２１の側面近く）に配置されている。このため、第１クラッド部材２１内を全反射しながら伝播する励起光がコア部材１０を通る確率が向上する。また、コア部材１０と冷却媒体（空間部Ｋに充填されている）との距離がほとんどなくなり、コア部材１０をより効率的に冷却することができる。

●［光ファイバの詳細構造（図２）］
次に図２（Ａ）を用いて、図１（Ｂ）に示した光ファイバ２の詳細構造の例を説明する。なお、図１（Ａ）、（Ｃ）及び（Ｄ）に示した光ファイバ２も同様であるので、これらの説明は省略する。
コア部材１０の径φｃｏｒｅは約１０〜１００［μｍ］に設定され、コア部材１０の破損の回避と強度を向上するために、コア部材１０を更にコア用クラッド部材１１で覆っている。
また、第１クラッド部材２１内に（コア用クラッド部材１１で覆われた）コア部材１０を螺旋状に配置するために、例えば略円柱状のクラッド用コア２０を用意し、当該クラッド用コア２０の外周に（コア用クラッド部材１１で覆われた）コア部材１０を螺旋状に巻きつける。そして、例えば溶液状のセラミックス前駆体で、コア部材１０を螺旋状に巻きつけたクラッド用コア２０の外周を覆い、焼成して第１クラッド部材２１を形成する。第１クラッド部材２１の径φｃｌａｄは、例えば約５〜３０［ｍｍ］に設定する。

そして、コア部材１０を内部に有する第１クラッド部材２１をケース部材３０に収容する。第１クラッド部材２１とケース部材３０とで形成された空間部Ｋにおいて、間隙Ｄを例えば約１〜５［ｍｍ］に設定する。この空間部Ｋを冷却媒体で充填し、当該冷却媒体をコア部材１０の冷却として用いるだけでなく、励起光を第１クラッド部材２１内に閉じ込める第２クラッド部材としても用いる。
ここで、コア部材１０の屈折率をｎ１０、コア用クラッド部材１１の屈折率をｎ１１、クラッド用コア２０の屈折率をｎ２０、第１クラッド部材２１の屈折率をｎ２１、冷却媒体の屈折率をｎ２２とした場合、以下の関係式が成立するように各部材の屈折率を選定する。
ｎ１０＞ｎ１１≧ｎ２１≧ｎ２０＞ｎ２２ （式１）

これにより、コア部材１０内で発生した出力レーザ光Ｌｏｕｔはコア部材１０内に閉じ込められ、第１クラッド部材２１内に入射された励起光Ｌｉｎは第１クラッド部材２１内に閉じ込められる。
例えば冷却媒体に水（屈折率＝約１．３３３）を選定した場合、コア部材１０には屈折率＝約１．５０２を有するフッ化物ガラスのシングルモードファイバを選定し、コア用クラッド部材１１には屈折率＝約１．４９４を有するフッ化ガラスを選定し、第１クラッド部材２１には屈折率＝約１．４８７を有するフッ化ガラスを選定し、クラッド用コア２０には屈折率＝約１．４８７を有するフッ化ガラスを選定する。
なお、コア用クラッド部材１１、クラッド用コア２０は省略してもよい。

また、コア部材１０の少なくとも一部が第１クラッド部材２１に覆われるように長手軸方向に配置されている様子の例を図２（Ｂ）（図１（Ａ）及び（Ｂ）に対する例）、及び図２（Ｃ）（図１（Ｃ）及び（Ｄ）に対する例）に示す。このように、コア部材１０は第１クラッド部材２１の内部に配置（１０ａ）されていてもよいし、コア部材１０が第１クラッド部材２１の表面と接するように配置（１０ｂ）されていてもよいし、コア部材１０の一部が第１クラッド部材２１の表面から突出するように配置（１０ｃ）されていてもよい。

●［ファイバレーザ発振装置（図３）］
次に図３（Ａ）及び（Ｂ）を用いて、図２に示した光ファイバ２を用いたファイバレーザ発振装置１の例を説明する。
光ファイバ２において、コア部材１０を、少なくとも一部を覆うように長手軸方向に含む第１クラッド部材２１は、ケース部材３０の保持部Ｈにてケース部材３０内に保持されている。また、コア部材１０の両端は第１クラッド部材２１から引き出されており、コア部材１０の一方の端面には出力レーザ光Ｌｏｕｔを反射するミラー４４（出力レーザ光Ｌｏｕｔを反射するコーティング等でもよい）が設けられており、他方の端面に対向する位置には出力レーザ光Ｌｏｕｔを集光する集光レンズ４２が設けられている。
また、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示す例では励起光Ｌｉｎを第１クラッド部材２１内に入射する励起光照射手段４０を光ファイバ２の一方の端面に設けているが、光ファイバ２の両端面に励起光照射手段４０を設けるようにしてもよい。

そして冷却媒体の循環と温度等を制御する冷却媒体循環手段４６（チラー等）を備え、光ファイバ２の空間部Ｋに冷却媒体を供給、及び空間部Ｋから冷却媒体を排出する配管４８を冷却媒体循環手段４６に接続する。なお、ケース部材３０の内壁には、ケース部材３０の長手軸方向（Ｚ軸方向）に螺旋状の凹部または凸部３２が第１クラッド部材２１に当接しないように設けられており、当該螺旋状の凹部または凸部３２に沿って冷却媒体が第１クラッド部材２１の側面をまんべんなく周回しながら排出されるように構成している。
このファイバレーザ発振装置１にて、例えば波長８００［ｎｍ］の半導体レーザを励起光Ｌｉｎとして用いた場合、波長１０６４［ｎｍ］の出力レーザ光Ｌｏｕｔを得ることができる。

以上に説明した実施の形態における光ファイバ２では、第１クラッド部材２１の縁部に螺旋状にコア部材１０を配置しているため、第１クラッド部材２１内を全反射しながら伝播する励起光Ｌｉｎがコア部材１０を通る確率が高い。このため、第１クラッド部材２１の径φｃｌａｄを従来よりも充分大きくすることができる。これにより、励起光Ｌｉｎを入射する第１クラッド部材２１の端面の面積が大きくなり、より多くの励起光Ｌｉｎを第１クラッド部材２１内に入射することができる。
従って、より高出力の出力レーザ光Ｌｏｕｔを得ることができる。また発熱したコア部材１０を冷却媒体で効率良く冷却できるので発振効率の低下を抑制することができる。なお、冷却媒体は第２クラッド部材も兼ねており、コア部材１０とほとんど隣接する位置を流れるため、非常に効率的にコア部材１０を冷却することができる。
このファイバレーザ発振装置１による出力レーザ光Ｌｏｕｔは、より高いビーム品質にて高い出力と精度を有しており、レーザ加工、レーザ溶接等、種々の用途に用いることが可能である。

本発明の光ファイバ２は、本実施の形態で説明した形状、構成、構造、方法、材質等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
本実施の形態で説明したファイバレーザ発振装置は、本実施の形態に示した構成に限定されず、図１に示す本発明の光ファイバ２を用いて、種々の形態に構成することができる。
本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
本実施の形態では、励起光Ｌｉｎに半導体レーザを用いたが、励起光には種々のものを用いることができる。

本発明の光ファイバ２は、ファイバレーザ発振装置に用いることで、レーザ加工装置等のレーザ光を用いた種々の装置に適用できる。

本発明の光ファイバ２の概略構造の例を示す図である。 本発明の光ファイバ２の詳細構造の例を示す図である。 本発明の光ファイバ２を用いたファイバレーザ発振装置１の例を説明する図である。 従来の光ファイバ２ｚ、及び従来のファイバレーザ発振装置の例を説明する図である。

符号の説明

１ ファイバレーザ発振装置
２ 光ファイバ
１０ コア部材
１１ コア用クラッド部材
２０ クラッド用コア
２１ 第１クラッド部材
３０ ケース部材
３２ 螺旋状の凹部または凸部
４０ 励起光照射手段
４２ 集光レンズ
４４ ミラー
４６ 冷却媒体循環手段
Ｋ 空間部
Ｈ 保持部
Ｌｉｎ 励起光
Ｌｏｕｔ 出力レーザ光

Claims (2)

1. レーザ活性物質を含むコア部材と、
   前記コア部材よりも小さな屈折率を有するクラッド部材と、で構成された光ファイバにおいて、
   前記コア部材の形状は略柱状であり、前記クラッド部材の形状は略筒状であり、
   前記クラッド部材は、前記コア部材の径よりも大きな径を有し、前記コア部材の少なくとも一部を覆うように当該コア部材を長手軸方向に含み、
   略筒状の前記クラッド部材の長手軸方向に形成された空間部は、前記クラッド部材の屈折率よりも小さな屈折率を有する冷却媒体で充填されており、
   更に前記コア部材は、前記クラッド部材の長手軸方向に対して螺旋状に配置されている、
   ことを特徴とする光ファイバ。
2. 請求項１に記載の光ファイバと、
   前記光ファイバのコア部材を励起してレーザ光を発生させる励起光を出射する励起光照射手段と、
   冷却媒体循環手段と、を備え、
   前記冷却媒体循環手段を用いて、前記クラッド部材の屈折率よりも小さな屈折率を有する冷却媒体を、筒状の前記クラッド部材の空間部に通して循環させ、
   前記クラッド部材に前記励起光照射手段からの励起光を導光して前記コア部材を励起してレーザ光を発生させる、
   ファイバレーザ発振装置。

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