JP4238633B2 - 偏光解消素子、その素子を用いた分光器及び光ファイバー増幅器 - Google Patents
偏光解消素子、その素子を用いた分光器及び光ファイバー増幅器 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の偏光状態を有する入射光を偏光状態の混在した状態の出射光に変換する偏光解消素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
測定器や増幅器などの機器の特性に偏光依存性がある場合、入射光が特定の偏光状態を有するときには、その偏光状態を解消しないと初期の目的が達せられないことになる。例えば、分光器や光ファイバー増幅器などには偏光依存性があるため、無偏光や円偏光のような等方的な入射光であれば問題はないが、直線偏光や楕円偏光のような異方的な入射光であると同じエネルギーの光であっても出力が異なることになる。このため、偏光依存性のある機器においては、入射光の偏光状態を解消する必要がある。このような偏光状態を解消する方式として、入射光を散乱させる方式、空間的に位相差を与える方式、入射光の波長分散にともなう位相差の分散を利用する方式などがある。
【0003】
入射光を散乱させる方式としては、散乱板や積分球があり、空間的に位相差を与える方式としては、右旋光結晶と左旋光結晶とを貼り合わせたコルニュータイプのものと、異方性結晶を光学軸が直交するように貼り合わせたバビネタイプのものとがある。また、入射光の波長分散にともなう位相差の分散を利用する方式としては、厚みを1対2の割合に設定した2枚の異方性結晶板を光学軸が互いに45°をなすように貼り合わせたリオタイプのものがある(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特許第3084867号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、入射光を散乱させる方式である散乱板では光量が低下してしまい、積分球では大型化してしまうという問題があり、空間的に位相差を与える方式であるコルニュータイプやバビネタイプのものでは、ビーム径が小さいと十分な解消効果が期待できないことや、入射光の偏光方向と素子の光学軸を最適の状態に合わせる必要があるなどの問題があった。また、入射光の波長分散にともなう位相差の分散を利用する方式であるリオタイプのものでは、レーザなどの単色性の強い入射光には使用できないという問題があった。
【0006】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、上記従来方式の有する種々の問題点を解消し得る偏光解消素子を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1の偏光解消素子は、基板の表層部に光の波長よりも短い周期で屈折率の異なる2種類の媒質を交互にストライプ状に設けることにより構造性複屈折を呈するようにした複数の構造物をその光学軸が同一面内の異なる方向に向くように平面状に配置したことを特徴としている。
【0008】
この構成によれば、入射光が特定の方向に偏光されたものであっても、入射光が各構造物を通過することにより出射光は各構造物の光学軸の向きに応じた異なる方向に偏光されたものが混在した状態となり、結果的に偏光が解消された状態となる。
【0009】
また、請求項2の偏光解消素子は、請求項1に係るものにおいて、前記構造物の面方向のサイズを異ならせたことを特徴としている。
【0010】
この構成によれば、構造物の配列周期に起因する回折の生じない偏光解消素子を容易に実現することができる。なお、中心部に配置される構造物の面方向のサイズを周辺部に配置されるものに比べて小さくしたり、面方向のサイズの異なる構造物を分散的に配置したりすることができる。
【0011】
また、請求項3の偏光解消素子は、請求項1又は2に係るものにおいて、前記構造物のリタデーションΔが、使用波長λに対して、{(1/4)+m}λ≦Δ
≦[(3/4)+m}λの式を満たす範囲内に存在していることを特徴としている。但し、mは整数。
【0012】
この構成によれば、構造物のリタデーションΔが、使用波長λに対して上記式を満足する範囲内になるように設定することで、入射光のあらゆる偏光状態のものにも対応することが可能となる。
【0013】
また、請求項4の分光器は、回折格子を備えた分光器であって、入射光を請求項1乃至3のいずれかに記載の偏光解消素子を介して前記回折格子に入射させるようにしたことを特徴としている。
【0014】
この構成によれば、入射光が特定の偏光状態にあっても回折格子への入射光は無偏光状態となるので、入射光の偏光状態に無関係に常に正確な分光特性を得ることができるようになる。
【0015】
また、請求項5の発明は、被増幅光と励起光とを結合する光カプラ及び増幅すべき光の波長に応じた元素を添加した光ファイバーを備えた光ファイバー増幅器であって、前記光カプラと前記光ファイバとの間に請求項1乃至3のいずれかに記載の偏光解消素子を介在させたことを特徴としている。
【0016】
この構成によれば、被増幅光や励起光が特定の偏光状態にあっても、増幅すべき光の波長に応じた元素を添加した光ファイバーへの入射光は無偏光状態となるので、被増幅光や励起光の偏光状態とは無関係に常に正確な増幅特性を得ることができるようになる。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施形態に係る偏光解消素子を模式的に示す平面図である。この図に示す偏光解消素子10は、微小な四角形の領域に区分された構造性複屈折を呈する(発現する)複数の構造物(位相子)12から構成されている。ここで、構造性複屈折とは、屈折率の異なる2種類の媒質を光の波長よりも短い周期でストライプ状に配置したとき、ストライプに平行な偏光成分(TE波)とストライプに垂直な偏光成分(TM波)とで屈折率が異なり、複屈折作用が生じることをいう。
【0018】
この偏光解消素子10は、本実施形態では、面方向のサイズが5mm×5mmの大きさを有し、各構造物12は、面方向のサイズが50μm×50μmの大きさに設定されたものである。また、各構造物12は、透明性の基板14の表層部に光の波長よりも短い周期、例えば、400nmの周期で誘電率の互いに異なる2種類の媒質(図面では、黒色の領域と白色の領域とで示している。)が交互にストライプ状に配置されて構成されており、その光学軸が同一面内における異なる方向に向くように平面状に配置されたものである。
【0019】
この複数の構造物12のうち、例えば、構造物12aは、誘電率の異なる媒質が図示の横方向にストライプ状に並ぶように配置され、各媒質を横切る方向を有する光学軸が図示の左右方向に向いたものであり、構造物12bは、誘電率の異なる媒質が図示の縦方向にストライプ状に並ぶように配置され、各媒質を横切る方向を有する光学軸が図示の上下方向に向いたものである。
【0020】
また、構造物12cは、誘電率の異なる媒質が図示の45°右下がり方向(あるいは45°左上がり方向)にストライプ状に並ぶように配置され、各媒質を横切る方向を有する光学軸が図示の45°右下がり方向に向いたものであり、構造物12dは、誘電率の異なる媒質が図示の45°右上がり方向(あるいは45°左下がり方向)にストライプ状に並ぶように配置され、各媒質を横切る方向を有する光学軸が図示の45°右上がり方向に向いたものである。
【0021】
このように図示では、各構造物12は、便宜的に光学軸が上記のような4種類の方向のうちの1つの方向に向くように配置したものとして示されているが、実際的にはさらに多種類の方向に向くように配置され、かつ、その向きが一定の規則性を有する配置ではなく、ランダムな状態となるように配置されていることが好ましい。
【0022】
このように、偏光解消素子10は、各構造物12をその光学軸が異なる方向(色々な方向)に向くように平面状に配置して構成されているので、例えば、図2に模式的に示すように、入射光L1が特定の方向に偏光されたものであっても、各構造物12を通過した出射光L2は各構造物12の光学軸の向きに応じた異なる方向に偏光されたものが混在した状態となり、結果的に偏光を解消することになる。
【0023】
このように構成された偏光解消素子10では、散乱板のように入射光を散乱させるものではないので光量が大きく低下するようなことはなく、積分球のように大型化することもない。また、各構造物12の面方向のサイズを小さく設定しておくことで入射光のビーム径が小さい場合でも確実に偏光を解消することができ、各構造物12をその光学軸が異なる方向に向くように配置しているので、入射光の偏光方向に合わせて偏光解消素子10の光学軸を最適の状態に合わせる必要のないものとなる。
【0024】
また、コルニュータイプやバビネタイプと同様に、空間的に偏光を解消するものであるため、入射光が単一波長光であっても偏光を解消することができる。さらには、複数の構成部材を貼り合わせて構成するものではないことから小型化が可能になると共に、その製造工程も量産に適したものとなることから低価格化を容易に実現することができるものとなる。
【0025】
なお、図1に示す偏光解消素子10は、各構造物12が四角形状を有するものであるが、これに限るものではなく、例えば、図3に示すように、三角形状を有するものから構成したものであってもよい。また、図1に示す偏光解消素子10は、各構造物12が同一のサイズからなるものであるが、これに限るものではなく、種々の変形が可能である。
【0026】
例えば、図4に示すように、中心部に配置される構造物12を周辺部に配置されるものよりも面方向におけるサイズを小さくする構成(ガウス分布の光量の強い部分のサイズを小さくする構成)としたり、図5に示すように、面方向におけるサイズの異なる(2種類でも3種類以上でもよい。)構造物12を分散的に配置する構成としたりすることができる。なお、いずれの構成例においても、偏光解消素子10を通過した出射光が結果として実質的に偏光の解消された状態となっておればよいのであるが、そのためには各構造物12がその光学軸の向きをランダムな状態とするように配置されていることが好ましい。
【0027】
特に、図1に示すような均等な分割配列であると、構造物12の配列周期に起因する回折が生じる場合があるが、図3乃至5に示すような不均等な分割配列とし、かつ光学軸の向きがランダムな状態となる配列とすると、構造物12の配列周期に起因する回折を生じないようにすることができる。
【0028】
また、上記実施形態において、構造性複屈折を呈する構造物12のリタデーションが小さいと偏光解消効果は小さくなるが、少なくともリタデーションが1/4λあれば直線偏光から円偏光までのあらゆる偏光状態に対応できることになる。また、1/4λと3/4λとでは右回り円偏光と左回り円偏光との違いはあっても同様の効果を得ることができる。このため、リタデーションをΔで表わした
とき、リタデーションΔは、使用波長λに対して、{(1/4)+m}λ≦Δ≦
{(3/4)+m}λの式を満たす範囲内に存在していることが好ましい。但し、mは整数である。ここで、リタデーションとは、構造性複屈折に起因するTE波とTM波の屈折率差をΔn、媒質の厚みをdとしたとき、これらの積Δn・dをいう。
【0029】
なお、十分周期が小さい(波長の1/2以下)構造物12における構造性複屈折による誘電率の偏光方向依存性は次の式で表わすことができる。
【0030】
εTE=fε1+(1+f)ε2
1/εTM=f/ε1+(1−f)/ε2
ここで、εTEはTE波に対する誘電率、εTMはTM波に対する誘電率、ε1及びε2はフォトリフラクティブ材料の光の照射により変化する前後の誘電率(すなわち、光が照射されたのちのストライプ状の2種類の媒質の誘電率)、fはデューティー比(すなわち、光が照射されたのちの誘電率の異なる2種類の媒質の体積占有率)である。なお、εTEの平方根がTE波に対する屈折率となり、εTMの平方根がTM波に対する屈折率となる。
【0031】
次に、上記実施形態のように構成される偏光解消素子10のナノインプリンティング技術を用いた製造方法について図6を参照して概略的に説明する。
【0032】
まず、図6(a)に示すように、シリコン基板20を準備し、このシリコン基板20上にスピンコート法により500nmの厚みの電子線描画用レジスト22を塗布する。そして、図6(b)に示すように、図略の電子線描画装置により、図1などに示す各構造物12のストライプ状パターンを描画して現像処理を行う。
【0033】
次いで、図6(c)に示すように、図略のドライエッチング装置によりシリコン基板20をドライエッチングすることにより、ストライプ状パターンに対応したエッチング深さ2.8μmの溝加工を行ったのち、シリコン基板20上の電子線描画用レジスト22を剥離して除去する。
【0034】
一方、図6(d)に示すように、110℃に加熱したポリメチルメタクリレート基板24(PMMA基板24)を準備し、このPMMA基板24上に溝加工を行ったシリコン基板20を溝加工面がPMMA基板24側に向くようにして押し当て、加熱した状態で全圧30トンで30秒の間加圧する。
【0035】
その後、図6(e)に示すように、PMMA基板24を50℃以下に冷却して加圧を解除したのち、シリコン基板20を取り除くことにより、PMMA基板24の表層部に凹凸の形成された偏光解消素子10が得られる。この偏光解消素子10では、構造物12が凸部の基板材料と凹部の空気層とで誘電率の異なる2種類の媒質が交互に配置された構成となり、構造性複屈折を呈するものとなる。
【0036】
なお、溝加工を行ったシリコン基板20は、溝が変形するなどして所定のストライプ状パターンが形成できないようになるまで繰り返し使用することができるので、量産性に優れたものとなって偏光解消素子10の低価格化を実現することができる。
【0037】
次に、上記実施形態のように構成される偏光解消素子10の位相マスクを用いた製造方法について図7を参照して概略的に説明する。
【0038】
まず、図7(a)に示すように、石英基板30を準備し、この石英基板30上にスピンコート法により500nmの厚みの電子線描画用レジスト32を塗布する。そして、図7(b)に示すように、図略の電子線描画装置により、図1などに示す各構造物12のストライプ状パターンを描画して現像処理を行う。
【0039】
次いで、図略のエッチング装置で石英基板30をエッチングすることにより、ストライプ状パターンに対応したエッチング深さ約290nmの溝加工を行ったのち、石英基板30上の電子線描画用レジスト32を剥離除去することで、図7(c)に示す位相マスク34を得る。この位相マスク34は、回折格子の位相を制御して0次光がでないようにし、平行光を入射することで±1次光の干渉により下部の基板に干渉縞を書き込むためのものである。
【0040】
一方、図7(d)に示すように、ガラス基板40を準備し、このガラス基板40上にフォトリフラクティブ材料からなる膜体42を形成する。このフォトリフラクティブ材料として、フォトポリマー、ポリイミド、ポリシラン系材料などを用いることができる。そして、図7(e)に示すように、膜体42の形成されたガラス基板40に位相マスク34を近接して配置し、コリメートした紫外線レーザを照射する。これにより、膜体42に図1などに示す誘電率の異なる媒質からなるストライプ状パターンが生成される。
【0041】
最後に、ガラス基板40を所定温度に加熱することにより、誘電率の異なる媒質からなるストライプ状パターンを固定化することで、偏光解消素子10が得られる。この偏光解消素子10では、構造物12がフォトリフラクティブ材料からなる膜体42が変質されて誘電率の異なる2種類の媒質が交互に配置された構成となり、構造性複屈折を呈するものとなる。
【0042】
なお、位相マスク34は、溝が変形するなどして所定のストライプ状パターンが形成できないようになるまで繰り返し使用することができるので、量産性に優れたものとなって偏光解消素子10の低価格化を実現することができる。
【0043】
下記の表1は、上記の2つの式と、光により変化する前後の屈折率n1,n2を用いて、微小構造を設けたときの複屈折性をまとめたものである。ΔnはTE波とTM波の屈折率の差であり、dはΔnを考慮して1/2λ板として機能するために必要な厚みである。なお、λは550nmである。この表から明らかなように、ポリシラン系材料であれば、40μm程度の膜厚で1/2λ板を形成することができ、最も現実的であるといえる。
【0044】
【表1】
【0045】
図8は、本発明に係る偏光解消素子10を適用した本発明に係る分光器50の要部を概略的に示す図である。この図に示す分光器50は、入射スリット51と、凹面鏡52と、回折格子53と、凹面鏡54と、出射スリット55とを備え、入射スリット51と凹面鏡52との間に偏光解消素子10を介在させて構成したものである。ここで、回折格子53は、入射光のうち回折格子に刻まれた溝に垂直な成分と水平な成分とで反射率が異なるという特性を有している。
【0046】
このため、回折格子53を用いた分光器では、入射光の偏光状態によって反射効率が変動することから正確な分光特性を得る上で不都合が生じるが、偏光解消素子10を用いることで入射光が特定の偏光状態にあっても回折格子53への入射光は溝に垂直な成分と水平な成分との比が常に等しいものとなり、入射光の偏光状態に関係なく正確な分光特性を得ることができる。なお、偏光解消素子10は、凹面鏡52と回折格子53との間に介在させるようにしてもよい。
【0047】
図9は、本発明に係る偏光解消素子10を適用した本発明に係る光ファイバー増幅器60の要部を概略的に示す図である。この図に示す光ファイバー増幅器60は、光源62と、入射光である被増幅光と光源62からの励起光とを結合する光カプラー64と、希土類元素添加光ファイバー66とを備え、光カプラー64と希土類元素添加光ファイバー66との間に偏光解消素子10を介在させて構成したものである。ここで、希土類元素添加光ファイバー66は、増幅特性について偏光依存性を有している。
【0048】
このため、希土類元素添加光ファイバー66を用いた光ファイバー増幅器では、被増幅光や励起光が特定の偏光状態にあると所定の増幅特性が得られないという不都合が生じるが、偏光解消素子10を用いることでかかる不都合が解消される。すなわち、増幅すべき被増幅光は、光カプラー64の一方の入射端から入射され、この光カプラー64を介して偏光解消素子10に入射される。一方、光源62から射出された励起光は、光カプラー64の他方端から入射され、この光カプラー64を介して偏光解消素子10に入射される。
【0049】
この被増幅光と励起光とは、偏光解消素子10を通過することにより無偏光状態となって希土類元素添加光ファイバー66に入射される一方、励起光によって光ファイバー中に添加された希土類元素が活性化されて反転分布が形成される。この反転分布が形成された状態で入射光が入射されると、この入射光によって誘導放射が起こり、被増幅光が希土類元素添加光ファイバー66から増幅されて出射されることになる。
【0050】
このように光カプラー64と希土類元素添加光ファイバー66との間、すなわち、希土類元素添加光ファイバー66の入射端側に偏光解消素子10を設けることにより無偏光状態となった被増幅光と励起光とが希土類元素添加光ファイバー66に入射されるので、希土類元素添加光ファイバー66の増幅特性における偏光依存性を効果的に解消することができる。
【0051】
ここで、光ファイバーに添加される希土類元素は、増幅すべき入射光の光の波長に応じて選択され、例えば、1550nm波長帯域の光を増幅する場合には、エルビウム元素(元素記号;Er)が選択される。エルビウム元素は、ランタノイドの希土類元素の1つで、元素記号Er、原子番号68である。ランタノイドに属する元素は、互いに性質が類似している。他の波長帯域を増幅する希土類元素として、ネオジム(Nd、1060nm波長帯域、1300nm波長帯域)、プラセオジウム(Pr、1300nm波長帯域)およびツリウム(Tm、1450nm波長帯域)などが知られている。
【0052】
以上説明した実施形態のように、本発明に係る偏光解消素子10は、透明性の基板の表層部に光の波長よりも短い周期で屈折率の異なる2種類の媒質を交互にストライプ状に設けることにより構造性複屈折を呈するようにした複数の構造物12をその光学軸が同一面内の異なる方向に向くように平面状に配置して構成したものである。
【0053】
このため、光量が大きく低下するようなことはなく、大型化することもない。また、各構造物12の面方向のサイズを小さく設定しておくことで入射光のビーム径が小さい場合でも確実に偏光を解消することができ、各構造物12をその光学軸が異なる方向に向くように配置しているので、入射光の偏光方向に合わせて光学軸を最適の状態に合わせる必要のないものとなる。
【0054】
また、空間的に偏光を解消するものであるため、入射光が単一波長光であっても偏光を解消することができ、複数の構成部材を貼り合わせて構成するものではないため、小型化が可能になると共に、その製造工程も量産に適したものとなることから低価格化を容易に実現することができる。
【0055】
また、本発明に係る偏光解消素子10を適用した本発明の分光器50は、入射光の偏光状態に関係なく回折格子への入射光は無偏光状態となっているので、常に正確な分光特性を得ることができるという高精度化を図ることができることに加え、偏光解消素子10が量産性に適したものであることから高価格化を抑制することができる。
【0056】
また、本発明に係る偏光解消素子10を適用した本発明の光ファイバー増幅器60は、被増幅光や励起光の偏光状態に関係なく希土類元素添加光ファイバー66への入射光は無偏光状態となっているので、常に所定の増幅特性を得ることができるという高精度化を図ることができることに加え、偏光解消素子10が量産性に適したものであることから高価格化を抑制することができる。
【0057】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る偏光解消素子は、構造性複屈折を呈するようにした複数の構造物をその光学軸が同一面内の異なる方向に向くように平面状に配置したものであるため、光量の低下と大型化を招くことがなく、入射光のビーム径が小さい場合でも偏光を効果的に解消することができ、入射光の偏光方向に合わせて光学軸を最適の状態に合わせる必要のない取り扱いの容易なものとなる。また、入射光が単一波長光であっても偏光を解消することができ、低価格化を容易に実現することができる。
【0058】
また、本発明に係る分光器は、入射光を本発明の偏光解消素子を介して回折格子に入射させるようにしたものであるため、常に正確な分光特性を得ることができると共に、高価格化を効果的に抑制することができる。
【0059】
また、本発明に係る光ファイバー増幅器は、光カプラーと光ファイバーとの間に本発明の偏光解消素子を介在させたものであるため、常に所定の増幅特性を得ることができると共に、高価格化を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る偏光解消素子を模式的に示す平面図である。
【図2】図1に示す偏光解消素子の作用効果を説明するための図である。
【図3】図1に示す偏光解消素子の別の構成例を模式的に示す平面図である。
【図4】図1に示す偏光解消素子のさらに別の構成例を模式的に示す平面図である。
【図5】図1に示す偏光解消素子の他の構成例を模式的に示す平面図である。
【図6】本発明に係る偏光解消素子の製造方法を説明するための図で、(a)はシリコン基板に電子線描画用レジストを塗布する工程、(b)は描画と現像処理の工程、(c)はエッチングしたのちに電子線描画用レジストを剥離する工程、(d)はPMMA基板にシリコン基板を押し当てて加圧する工程、(e)はPMMA基板からシリコン基板を取り除く工程をそれぞれ説明するための図である。
【図7】本発明に係る偏光解消素子の別の製造方法を説明するための図で、(a)は石英基板に電子線描画用レジストを塗布する工程、(b)は描画と現像処理の工程、(c)はエッチングしたのちに電子線描画用レジストを剥離する工程、(d)はガラス基板に膜体を形成する工程、(e)は膜体に誘電率の異なる媒質からなるストライプ状パターンを形成する工程をそれぞれ説明するための図である。
【図8】本発明に係る偏光解消素子を適用した分光器の要部を概略的に示す図である。
【図9】本発明に係る偏光解消素子を適用した光ファイバー増幅器の要部を概略的に示す図である。
【符号の説明】
10 偏光解消素子
12 構造物
20 シリコン基板
22,32 電子線描画用レジスト
24 PMMA基板
30 石英基板
34 位相マスク
40 ガラス基板
42 膜体
50 分光器
53 回折格子
60 光ファイバー増幅器
64 光カプラー
66 希土類元素添加光ファイバー
Claims (5)
- 基板の表層部に光の波長よりも短い周期で屈折率の異なる2種類の媒質を交互にストライプ状に設けることにより構造性複屈折を呈するようにした複数の構造物をその光学軸が同一面内の異なる方向に向くように平面状に配置したことを特徴とする偏光解消素子。
- 前記構造物の面方向のサイズを異ならせたことを特徴とする請求項1記載の偏光解消素子。
- 前記構造物のリタデーションΔが、使用波長λに対して、{(1/4)+m}λ≦Δ≦{(3/4)+m}λの式を満たす範囲内に存在して
いることを特徴とする請求項1又は2記載の偏光解消素子。但し、mは整数。 - 回折格子を備えた分光器であって、入射光を請求項1乃至3のいずれかに記載の偏光解消素子を介して前記回折格子に入射させるようにしたことを特徴とする分光器。
- 入射光と励起光とを結合する光カプラー及び増幅すべき光の波長に応じた元素を添加した光ファイバーを備えた光ファイバー増幅器であって、前記光カプラーと前記光ファイバーとの間に請求項1乃至3のいずれかに記載の偏光解消素子を介在させたことを特徴とする光ファイバー増幅器。
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JP2003141046A JP4238633B2 (ja) | 2003-05-19 | 2003-05-19 | 偏光解消素子、その素子を用いた分光器及び光ファイバー増幅器 |
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Publications (2)
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