JP6467323B2 - レーザー光線の波面を制御するレーザーシステム及び方法 - Google Patents

Description

一実施例は、概して、レーザー光線の波面を制御するためのレーザーシステム及びこれに関連する方法に関し、より具体的には、一次レーザー光線の波面を制御する目的で二次レーザー光線を導入するように構成されたレーザーシステム及びこれに関連する方法に関する。

レーザーシステムは、レーザー光線が所望のビーム品質を有するよう、選択的に所定形状の波面を生成する。しかし場合によっては、レーザーシステムの光学素子の影響で、波面に光学収差が生じることがある。具体的には、光学収差は、レーザー媒体、レーザー増幅器、又は他の光学部品に起因して生じ、特に、光学素子の構造及び材料組成、及び／又は、光路差を生じさせる光学素子内の温度勾配によって発生しうる。例えば、光学素子は、レーザーによって均一に加熱しても、一部の加熱度合いが他の部分よりも大きくなり、これによって温度勾配が生じる場合がある。光学素子に温度勾配が存在すると、温度勾配がもたらす光路差のために、レーザー光線に光学収差を発生させることになる。そして、光学収差によって、波面誤差が生じ、レーザーシステムによって生成されるビーム品質が低下することによって、レーザーシステムの効率と有効性が低下する。

光学収差を解消又は相殺するために、種々の複雑な光学システムが開発されている。例えば、温度勾配を低減し、これに応じて光学収差を低減するために、熱伝達及び／又は冷却システムがレーザーシステムと共に用いられてきた。例えば、温度勾配を低減するために、径対称のゲインロッド（gain rods）を径方向に冷却する場合がある。また、温度勾配によって導入される光学収差を解消するため、固定の補正板、又は、複雑な適応型の光学システムが使用されている。これらの手法は、光学収差を低減することはできるが、レーザーシステムがより複雑になり、結果として一般的により高価になる。

温度勾配が発生する光学素子の１つに、光熱屈折（photo thermal refractive)（ＰＴＲ）ガラス光学素子がある。ＰＴＲガラス光学素子は、例えば、レーザーシステムにおいて、スペクトルビームを結合するために用いられる。一般に、レーザー光線がＰＴＲ光学素子中を伝播すると、ＰＴＲ光学素子の温度が上昇する。ＰＴＲガラス光学素子の温度が上昇すると、ＰＴＲガラス光学素子の屈折率が変化し、ひいては、ＰＴＲガラス光学素子によって出力される光の波長が変化する。例えば、ＰＴＲ光学素子を格子として使用する場合、ＰＴＲ光学素子の昇温によって同素子の屈折率が変化する。その結果、格子から出射される光の波長が変化し、これが格子の効率に悪影響を与える場合がある。

ＰＴＲ光学素子の昇温を抑制するため、熱制御システムによってＰＴＲ光学素子を外縁から加熱又は冷却することが考えられる。しかしながらこの手法によれば、ＰＴＲ光学素子の容積全体にわたって温度勾配が生じ、それに応じて、ＰＴＲ光学素子の動作が部分ごとに異なる状態となり、ＰＴＲ光学素子の全体の効率に悪影響が出る。また、ＰＴＲ光学素子の温度を制御するために利用される熱システムは、比較的かさばりがちであり、小さなレーザーキャビティ内では使用できない場合がある。また、例えば、熱安定化を目的としてＰＴＲ光学素子と共に用いられる熱システムは、複数のマウントすなわち、比較的大きな熱電クーラー（thermoelectric cooler）（ＴＥＣ）や、冷却水が必要となる比較的大きなコールドプレート（cold plates）、及び電力供給のための電気コードを収容するためのマウントを含む場合がある。熱制御システムを含むレーザーシステムを真空チャンバ内に配置しなければならないようなレーザーシステムでは、熱システムのマウントを支持するための設備によって、種々の課題が発生しうる。

一実施例によれば、一次レーザー光線の波面を制御するためのレーザーシステム及びこれに関連する方法が提供される。このレーザーシステム及び方法は、レーザー媒体又は他の光学素子の部分を選択的に熱収縮又は熱膨張させることにより、これに対応して一次レーザー光線の波面を変化させる。例えば、レーザー媒体又は他の光学素子を、選択的に熱収縮又は熱膨張させて、レーザーシステムによって導入される光学収差を相殺することによって、一次レーザー光線の波面を所望の形状及びビーム品質を有するものにする。一実施例において、ＰＴＲガラス光学素子は、二次レーザー光線に反応するドーパントを含み、同ＰＴＲガラス光学素子を二次レーザー光線に対して暴露することによって、ドープＰＴＲガラス光学素子の温度を修正あるいは変更し、これによってＰＴＲガラス光学格子を含むレーザーシステムの性能を改善する。

一実施例において、一次レーザー光線を発生させるように構成されたレーザー媒体と、一次レーザー光線を受信するように構成された少なくとも１つの光学素子と、を含むレーザーシステムが提供される。レーザーシステムは、二次レーザー光線を発生させるように構成された二次レーザー光源も含む。レーザーシステムは、二次レーザー光線を受信し、二次レーザー光線を空間変調することによって空間的強度パターンを有する空間変調二次レーザー光線を生成するように構成された空間光変調器をさらに含む。本実施例のレーザーシステムは、空間変調二次レーザー光線が、レーザー媒体又は少なくとも１つの光学素子の少なくとも１つに入射して、レーザー媒体又は少なくとも１つの光学素子における、空間変調二次レーザー光線が入射した各部分を熱収縮又は熱膨張させるように構成されている。これによって、一次レーザー光線の波面を制御可能に変化させることができる。

二次レーザー光線は、一次レーザー光線とは異なる波長を有してもよい。空間変調二次レーザー光線が入射するレーザー媒体又は少なくとも１つの光学素子の少なくとも１つは、二次レーザー光線の波長に反応して励起される少なくとも１種類のドーパントを含んでもよい。一実施例のレーザーシステムは、一次レーザー光線の波面を測定するように構成された波面センサーと、波面センサーによって測定された一次レーザー光線の波面に基づいて、空間光変調器によって行われる二次レーザー光線の空間変調を制御するように構成された制御装置と、をさらに含む。一実施例の波面センサーは、一次レーザー光線の波面を経時的に繰り返し測定するように構成される。この実施例において、制御装置は、空間光変調器を制御することによって、二次レーザー光線の空間的強度パターンを修正して、経時的に波面センサーによって測定された一次レーザー光線の波面の変化に基づいて、二次レーザー光線が光学素子の容積内の熱エネルギーを制御可能に調節することによって、光学素子の熱膨張及び熱収縮を制御し、一次レーザー光線の波面における収差又は光路差を最小限にするように構成される。空間変調二次レーザー光線は、一次レーザー光線と共伝播させてもよい。

別の実施例において、一次レーザー光線の波面を制御する方法が提供される。当該方法は、レーザー媒体によって一次レーザー光線を発生させることを含む。この実施例の方法は、少なくとも１つの光学素子に一次レーザー光線を誘導することを含む。さらに、この実施例の方法では、二次レーザー光線を発生させ、二次レーザー光線を空間変調することによって、空間的強度パターンを有する空間変調二次レーザー光線を生成する。この実施例の方法では、さらに、空間変調二次レーザー光線を、レーザー媒体又は少なくとも１つの光学素子の少なくとも１つに入射するように誘導することによって、レーザー媒体又は少なくとも１つの光学素子の少なくとも１つにおける、空間変調二次レーザー光線が入射した各部分を熱収縮又は熱膨張させる。これにより、一次レーザー光線の波面を制御可能に変化させることができる。

一実施例の方法では、一次レーザー光線とは異なる波長を有するように、二次レーザー光線を発生させる。この実施例において、空間変調二次レーザー光線が入射するレーザー媒体又は少なくとも１つの光学素子の少なくとも１つは、二次レーザー光線の波長に反応して励起される少なくとも１種類のドーパントを含む。一実施例における方法は、一次レーザー光線の波面を測定すること、および、測定された一次レーザー光線の波面に基づいて二次レーザー光線の空間変調を制御すること、をさらに含む。この実施例の方法は、一次レーザー光線の波面を経時的に繰り返し測定すること、および、二次レーザー光線の空間的強度パターンを修正することによって、経時的に測定された一次レーザー光線の波面の変化に基づいて、二次レーザー光線が光学素子の容積内の熱エネルギーを制御可能に調節することで、光学素子の熱膨張及び熱収縮を制御し、一次レーザー光線の波面における収差又は光路差を最小限にすること、をさらに含む。一実施形態において、空間変調二次レーザー光線は、一次レーザー光線と共伝播させてもよい。

さらなる実施例において、一次レーザー光線を発生させるように構成されたレーザー媒体と、一次レーザー光線を受信するように構成された、ドープ光熱屈折(ＰＴＲ）ガラス光学素子とを含むレーザーシステムが提供される。この実施例のレーザーシステムは、一次レーザー光線とは異なる波長を有する二次レーザー光線を発生させるように構成された二次レーザー光源をさらに含む。当該レーザーシステムは、二次レーザー光線がドープＰＴＲガラス光学素子に入射することによってドープＰＴＲガラス光学素子の温度を修正するように構成されている。

ドープＰＴＲガラス光学素子は、二次レーザー光線によって励起される１つ又は複数の種類のドーパントを含み、これは、例えば、限定するものではないが、ネオジム（Ｎｄ）、ツリウム（Ｔｈ）又はイッテルビウム（Ｙｂ）を含む。一実施例のドーパントは、ドープＰＴＲガラス光学素子の全体にわたって均一である。一実施例において、ドーパントは、一次レーザー光線の波長の光に対して、二次レーザー光線の波長の光を優先的に吸収する。レーザー媒体は、複数のレーザー光源を含んでいてもよく、ドープＰＴＲガラス光学素子は、複数のレーザー光源によって発生させられた一次レーザー光線を結合するように構成してもよい。ドープＰＴＲガラス光学素子は、光学格子として機能させてもよい。一実施例のＰＴＲ光学格子は、一次レーザー光線の波長の光に対して、二次レーザー光線の波長の光を優先的に反射するように構成された反射コーティングを含む。

本開示の種々の側面に関する概括的な説明は以上のとおりである。次に、添付図面について言及する。これらの図面は、必ずしも正確な縮尺率で描かれているものではない。

一次レーザー光線の波面を変化させるために、光学素子を選択的に熱収縮又は熱膨張させるための空間変調二次レーザー光線を生成する空間光変調器を含む、本開示の一実施例によるレーザーシステムのブロック図である。 例えば図１のレーザーシステムなどによって行われる、本開示の一実施例による操作のフローチャートである。 本開示の一実施例による、レーザーシステムにおける光路差に基づいて、空間変調二次レーザー光線によって光学素子の各部分を選択的に熱膨張又は熱収縮させる態様を図示したものである。 本開示の一実施例による、ドープ光熱屈折（ＰＴＲ）ガラス光学素子を含むレーザーシステム及びドープＰＴＲガラス光学素子の温度を修正するように構成されたレーザー冷却システムのブロック図である。 本開示の一実施例による、レーザー冷却システムによって提供される二次レーザー光線がジグザグ状に伝播するドープＰＴＲガラス光学素子の側面図である。

本開示を、添付図面を参照して以下により詳しく述べる。添付図面には、いくつかの態様が示されているが、これがすべてではない。実際、本開示は多くの異なる形態で実施することができ、本明細書に記載した態様に限定して解釈されるべきではない。少なくとも、これらの態様は、適用されうる所定の法的要件を本開示が満たすように提示されている。なお、同様の要素は、図面全体にわたって同様の数字で示している。

一実施例によれば、光学素子の熱膨張又は熱収縮を制御するための、レーザーシステム１０及び方法が提供される。例えば、レーザー媒体１２又は他の光学素子１４のそれぞれの部分を、空間変調されたレーザー光線によって熱収縮又は膨張させ、これに対応して一次レーザー光線の波面を変化させる。従って、光学収差が、仮に除去されないにしても低減されるので、レーザーシステムは、所望の波面を有し、ビーム品質が改善された一次レーザー光線を生成することができる。別の実施例のレーザーシステム及び方法は、所定の物質が添加されたドープ光熱屈折（ＰＴＲ）ガラス光学素子の温度を二次レーザー光線によって修正あるいは調整して例えば温度を安定化させるなどして、ＰＴＲガラス光学素子の温度勾配を、仮に完全に除去しえないにしても低減し、ＰＴＲガラス光学素子の性能を向上させる。

一実施例によるレーザーシステム１０を図１に示す。このレーザーシステムは、図２のブロック３０に示すように一次レーザー光線を発生させるように構成されたレーザー媒体１２を含む。レーザー媒体は、様々な態様で実施することができ、例えば、１つ又は複数の固体レーザー、１つ又は複数の半導体又はダイオードレーザーなどによるものを含む。レーザーシステムは、概括的に光学素子１４として示した１つ又は複数の光学素子を含む。光学素子は、例えば、レーザー増幅器、１つ又は複数のレンズ、１つ又は複数のミラー、又は他の光学部品を含む。一次レーザー光線は、レーザー媒体から光学素子に誘導される。その後、一次レーザー光線は、当該光学素子を通って伝播されるか、又は、当該光学素子によって反射もしくは他の態様で進行方向が変更される。図２のブロック３２を参照のこと。

一次レーザー光線は、レーザーシステム１０中を伝播する際に、部分によって異なる光路を進行する。このような光路差は、レーザー媒体１２及び／又は１つ又は複数の光学素子１４の製造中にすでに生じている場合があるが、レーザー媒体及び／又は１つ又は複数の光学素子における温度勾配によっても生じうる。フラットトップで断面環状のレーザー光線を含め、様々なタイプのレーザー光線を用いることができるが、レーザー光線の中心で強度がより大きいガウス型レーザー光線の場合は、レーザー光線の中心が入射した箇所で光学素子がより熱くなり、これによって光学素子に温度勾配が生じる。光学素子における温度勾配によって、初めは光子が同位相であったレーザー光線に、位相のずれ又は光路差が生じる。一次レーザー光線の部分によって光路に差があることにより、一次レーザー光線の波面が、位相、形状などにおいて、所望の波面とは異なるものとなり、これによって一次レーザー光線のビーム品質が低下する。

光路差の問題ならびに波面及びビーム品質への悪影響の問題に対処するため、レーザーシステム１０は、図２のブロック３４に示したような、二次レーザー光線を発生させる二次レーザー光源１６をさらに含む。二次レーザー光源は、様々な態様で実施することができ、例えば、１つ又は複数の固体レーザー、１つ又は複数の半導体又はダイオードレーザーなどによるものを含む。レーザー媒体１２と二次レーザー光源１６とは、同じタイプのレーザーによって実施してもよいが、実施形態によっては、レーザー媒体と二次レーザー光源とは異なるタイプのレーザーを用いてもよい。

図１に示すように、一実施例のレーザーシステム１０は、空間光変調器１８をさらに含む。空間光変調器は、二次レーザー光線を受信し、図２のブロック３６に示すように、二次レーザー光線を空間変調することによって、所定の空間的強度パターンを有する空間変調二次レーザー光線を生成するように構成されている。二次レーザー光線を空間変調することによって、二次レーザー光線は、部分によって強度が異なるものとなる。例えば、二次レーザー光線の一部は、当該二次レーザー光線の強度の小さい他の部分よりも、より大きな強度を有する。二次レーザー光線を空間変調しあるいは歪ませてその強度パターンを変更するには、例えば形状可変ミラーを用いればよい。空間変調により、レーザー光線が入射する光学素子の容積内の熱エネルギーの局所的強度を自在に調節することが可能となり、ひいては光学素子の熱膨張及び熱収縮を制御することが可能となる。つまり、二次レーザー光線の空間的強度パターンを空間変調しあるいは歪ませて、当該レーザー光線が入射する光学素子の容積内、又は容積外の熱エネルギーを調節することにより、光学素子の熱膨張及び熱収縮を制御することができる。また、一次レーザー光線の波面の出力を、測定した波面の状況に応じて変更することができる。このようにして、光学素子における温度勾配によって生じた波面収差又は光路差を、例えば最小限にするなどの修正が可能となる。以下に説明するように、空間変調は、レーザー媒体１２又は他の光学素子１４に二次レーザー光線が入射することによって、一次レーザー光線の波面が変化して、レーザーシステム内の光学収差が少なくとも部分的に相殺されるように行われる。空間光変調器は、二次レーザー光線の強度分布(intensity profile)を空間的に形成するための透過性又は反射性の光学素子、例えば、形状可変ミラーなどを含め、様々な態様で実施することができる。

二次レーザー光源１６及び空間光変調器１８は、例えば、レーザーキャビティ内に配置してもよい。これに代えて、二次レーザー光源及び空間光変調器をキャビティ外に配置したシステムとして、レーザーキャビティ内又はキャビティ外の光学素子等の熱収縮又は熱膨張を制御するようにしてもよい。空間光変調器が形状可変ミラーとして実施され、二次レーザー光源及び空間光変調器がキャビティ外システムである実施形態においては、レーザーキャビティが形状可変ミラーを含む必要は無い。そのため、例えば、形状可変ミラーがレーザーキャビティ内に配置されている場合には必要となるビーム拡大システムを省くことなどによって、レーザーシステム１０の費用及び複雑さを低減することができる。

ブロック３８に示すように、空間変調二次レーザー光線は、レーザー媒体１２及び／又は少なくとも１つの光学素子１４に誘導かつ入射することによって、レーザー媒体及び／又は光学素子における光線入射部分を熱膨張又は熱収縮させる。図１のレーザーシステムでは、空間変調二次レーザー光線は、光学素子に入射している。あるいは、空間変調二次レーザー光線は、別の光学素子に入射することに加えて、又はこれに代えて、レーザー媒体に入射させてもよい。空間変調二次レーザー光線が入射するレーザー媒体又は光学素子は、二次レーザー光線の波長の光によって励起されるドーパントを含む構成とされる。一次レーザー光線の波長と二次レーザー光線の波長は同じであってもよいが、一実施例における二次レーザー光線は、一次レーザー光線とは異なる波長を有する。この場合、二次レーザー光線の波長は、ドーパントが二次レーザー光線の波長の光により励起される一方、一次レーザー光線の波長の光には励起されないように、ドーパントに合わせて設定される。この点に関して、ドーパントは、ドーパントを含むレーザー媒体及び／又は光学素子が、二次レーザー光線のエネルギーの少なくとも一部を吸収し、例えばより高い波長などの異なる波長のエネルギーを出射するように選択される。例えば、光学素子がＫＰｂ₂Ｃｌ₅によって形成され、二次レーザー光線の波長が９８６ｎｍの場合、ドーパントはイッテルビウム（Ｙｂ）であってもよい。別の例として、光学素子がイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）であり、二次レーザー光線の波長が１μｍの場合、Ｙｂがドーパントの役割を行うことができる。

二次レーザー光線を空間変調することにより、二次レーザー光線は、その部分ごとに強度が異なる状態となる。従って、空間変調二次レーザー光線は、当該空間変調二次レーザー光線が入射したレーザー媒体１２又は他の光学素子１４を、その部分ごとに異なる態様で熱収縮又は熱膨張させる。例示した実施形態のように、空間変調二次レーザー光線が光学素子に入射して熱収縮を生じさせる場合には、空間変調二次レーザー光線の強度の大きい部分が照射された光学素子の一部は、空間変調二次レーザー光線の強度の小さい部分が照射された光学素子の他の部分よりも、熱収縮の度合いが大きくなる。空間変調二次レーザー光線によって光学素子の熱収縮又は熱膨張が異なる度合いで起こることによって、光学素子を通る光路差が、これに応じた異なる態様で修正される。具体的には、光学素子における空間変調二次レーザー光線による熱収縮の度合いが大きい部分は、光学素子における熱収縮の度合いが小さい（又は熱膨張する）部分と比較して、光路が短くなる。

空間変調二次レーザー光線の入射に応じて光学素子１４によって生成される光路差によって、一次レーザー光線の波面が変化する。二次レーザー光線が無い場合には、一次レーザー光線のレーザーシステム１０中の伝播に対して、当該レーザーシステムによる収差が発生する。この収差を考慮した上で、空間変調二次レーザー光線によって、光学素子に光路差を生じさせることによって、完全ではないにしても少なくとも部分的に光学収差が相殺され、一次レーザー光線の波面及びビーム品質が改善される。

一例として、図３のグリッド５０は、二次レーザー光線が無い状態で、一次レーザー光線がレーザーシステム１０中を伝播する際の、その部分ごとにおける相対的な光路差を示している。図示のように、一次レーザー光線の複数の部分は、より小さい光路差を有する一次レーザー光線の他の部分よりも、大きな光路差を有する。例えば、一次レーザー光線の波面の左上部分５０ａは、より大きな光路差にさらされる一方、一次レーザー光線の波面の左下部分５０ｂは、より小さい光路差にさらされる。上述したように、これらの光路差は、レーザー媒体１２及び光学素子１４の製造の仕方や光学素子内の温度勾配などの様々な要因に起因する。

光路差に起因してレーザーシステム１０に生じる収差を相殺するように一次レーザー光線の波面を変化させるためには、一次レーザー光線の光路差が大きい部分が伝播する光学素子１４の部分に、より強度の大きい二次レーザー光線が照射されるように、二次レーザー光線の空間変調が行われる。このようにすれば、レーザー光線が光学素子を冷却する場合には、光学素子の該当部分が熱収縮することにより、光学素子内を伝播する一次レーザー光線の該当部分に対する光路長が短くなる。例えば、図３のグリッド５２を参照されたい。当該グリッドは、空間変調二次レーザー光線が、部分によって大きな強度又は小さな強度のいずれかを有するように規定している。図示のように、空間変調二次レーザー光線における大きな強度を有する部分‐例えば左上部分５２ａ‐は、一次レーザー光線における、より大きな光路差を経た部分‐例えばグリッド５０の左上部分５０ａ‐に位置が対応している。

上述の例において、さらに、一次レーザー光線の光路差が小さい部分が伝播する光学素子１４の一部に、より強度の小さい二次レーザー光線が照射されるように、二次レーザー光線の空間変調が行われる。これにより光学素子の該当部分が熱収縮し、一次レーザー光線の該当部分が通る光学素子の光路長が短くなるが、当該光学素子部分では、二次レーザー光線の強度の大きい部分によって実現される光路長の減少よりも実質的に小さい量だけ、光路長が減じられる。例えば、図３のグリッド５２の左下部分５２ｂを参照されたい。これは、空間変調二次レーザー光線の一部が小さい強度を有することを示している。図示のように、空間変調二次レーザー光線における小さな強度を有する部分‐例えば左下部分５２ｂ‐は、一次レーザー光線におけるより小さな光路差を有する部分‐例えばグリッド５０の左下部分５０ｂ‐に位置が対応している。このようにして、空間変調二次レーザー光線は、レーザーシステム１０内で一次レーザー光線に生じる光路差が部分的に又は完全に相殺されるように、各光学要素の様々な部分を通る光路を効果的に変更する。この結果得られた一次レーザー光線は、図２にブロック４０として示すように出力される。

空間変調二次レーザー光線は、上述の例では、光学素子１４の各部分を熱収縮させるものとして説明した。これに代えて、空間変調二次レーザー光線は、例えば異なる波長を用いることによって、光学素子の各部分を熱膨張させるように構成することもできる。この代替の実施形態において、光学素子の各部分の熱膨張は、レーザーシステム１０内で一次レーザー光線が受ける光路差を相殺するように制御される。

一例として、非点収差は、ゼルニケ多項式でｍ＝−１、ｎ＝２とした場合に対応する光学作用である。二次レーザー光源１６が無い状態では、非点収差のために、一次レーザー光線の波面がポテトチップ形状にゆがむことがある。これに対し、光学素子１４の熱収縮を制御して、上記のポテトチップ形状が相殺されるように光路差を修正すれば、非点収差が解消され、より平坦な波面を有する、よりビーム品質の高い一次レーザー光線が得られる。

レーザーシステム１０は、あらかじめ決定された固定の態様で二次レーザー光線を空間変調する、スタティックモードで動作させてもよい。この実施形態において、空間光変調器１８としては、例えば、固定された設計を有する補正板を用いることができる。これに代えて、レーザーシステム１０は、経時的に変化する所定の態様で二次レーザー光線が空間変調される、時間依存的な態様で動作させてもよい。例えば、レーザーシステムが始動してから安定状態動作になるまでは空間変調が所定の態様で変化する時間依存的態様で二次レーザー光線が空間変調され、レーザーシステムが安定状態動作になった時点で二次レーザー光線の空間変調が固定されるようにしてもよい。

また、レーザーシステム１０は、様々な状況に適応させて動作させることができる。本実施例においては、レーザーシステムは、一次レーザー光線の波面を測定するように構成された波面センサー２０を含む。本実施例のレーザーシステムは、例えばコンピューターやプロセッサーなどの制御装置２２をさらに含み、当該制御装置は、波面センサーに対して応答するものであり、より具体的には、波面センサーによって測定された一次レーザー光線の波面に対して応答する。制御装置は、波面センサーによって測定された一次レーザー光線の波面に基づいて、空間光変調器１８によって行われる二次レーザー光線の空間変調を制御するように構成される。従って、制御装置は、波面センサーによって測定された一次レーザー光線の波面から、波面の他の部分よりも大きい光路差を経た波面部分を特定する。次に、本実施形態の制御装置は、これに応じて空間光変調器を制御することによって、二次レーザー光線を変調し、一次レーザー光線の波面における光路差を相殺するように構成された空間的強度パターンを有する空間変調二次レーザー光線を形成する。図１に示すように、制御装置は、二次レーザー光源１６とも通信しており、これによって、例えば、二次レーザー光線の波長及び／又は出力を制御したり、二次レーザー光線を連続波とするかパルス波とするかを制御したりするなど、二次レーザー光源の動作を制御できるようになっている。

一実施例において、波面センサー２０は、一次レーザー光線の波面を、例えば所定の周期で、経時的に繰り返し測定するように構成される。この実施例において、制御装置２２は、波面センサーによって経時的に測定される一次レーザー光線の波面の変化に基づいて、空間光変調器１８によって行われる二次レーザー光線の空間変調を修正するようにも構成される。従って、レーザーシステム１０は、レーザーシステムの光学部品によって生じる光学収差の変化に対応し、光学収差が変化しても光学収差を相殺することができるように、異なった態様で二次レーザー光線を空間変調することができる。

空間変調二次レーザー光線は、様々な態様で、レーザー媒体１２又は他の光学素子１４に入射するように構成することができる。一実施例において、空間変調二次レーザー光線は、一次レーザー光線と共に、レーザーシステム１０の１つ又は複数の光学部品を通って、伝播、すなわち共伝播(co-propagate)する。この点に関して、空間変調二次レーザー光線は、レーザーシステムの様々な部品中を伝播するが、空間変調二次レーザー光線は、二次レーザー光線の波長を有する光によって励起されるドーパントがドープされた光学素子だけに影響を与える。レーザーシステムの複数の光学部品中を一次レーザー光線と共伝播することに代えて、空間変調二次レーザー光線は、二次レーザー光線の波長を有する光は反射するが一次レーザー光線の波長を有する光は反射しないコーティングを有する、例えばミラーやレンズなどの１つの部品に照射してもよい。あるいは、光学部品の反射コーティングは、一次レーザー光線の波長を有する光を透過するものであってもよい。例えば、空間変調二次レーザー光線は、ある特定の光学部品に入射した後、反射面によってレーザーシステム外に反射されることにより、上記特定の光学部品中のみを伝播し、レーザーシステムの他の光学部品中は伝播しない構成とされる。

上述したように、一実施例のレーザーシステム及び方法は、レーザー媒体１２又は他の光学素子１４の各部分を熱収縮又は熱膨張させることによって、一次レーザー光線の波面をこれに対応して変化させる。例えば、レーザー媒体又は他の光学素子の各部分を、熱膨張又は熱収縮させることによって、レーザーシステム１０によって生じていた光学収差を相殺する光路差を形成することができ、これによって、例えば軸対称及び非軸対称の波面誤差の両方を除去することなどによって、所望の形状及びビーム品質を有する一次レーザー光線の波面を得ることができる。光学収差を相殺し、これに応じて一次レーザー光線の波面及びビーム品質を改善するだけでなく、レーザーシステムは、これに加えて又は代えて、システムからのバルク熱（bulk heat）を除去する又はシステムにバルク熱を加える構成とすることができる。

上述の実施形態は１つの二次レーザー光源１６を含むが、他の実施形態のレーザーシステム１０は、同じ波長又は異なる波長を有する２つ以上の二次レーザー光線を発生させる２つ以上の二次レーザー光源を含んでもよい。例えば、２つ以上の二次レーザー光源は、レーザー媒体１２又は他の光学素子１４の互いに異なる部分を熱収縮又は熱膨張させるように構成してもよい。非限定的な一例として、二次レーザー光源の１つを、光学素子のエッジ部を熱膨張させるように構成し、別の二次レーザー光源を、光学素子の中心部を熱収縮させるように構成してもよい。これに加えて又はこれに代えて、レーザーシステムは、同じ波長又は異なる波長を有する２つ以上の一次レーザー光線を発生させる２つ又はそれ以上のレーザー媒体を含んでもよい。一実施例のレーザーシステムは、２つ以上の制御装置２２及び／又は２つ以上の空間光変調器１８も含んでもよい。

別の実施例を図４に示す。本実施例のレーザーシステム６０は、上述したレーザー媒体６２に加えて、ドープＰＴＲガラス光学素子の形態である光学素子６４を含む。ＰＴＲガラス光学素子は、レーザー媒体からの一次レーザー光線を、直接受信する、あるいは、１つ又は複数の光学部品を伝播した後に受信するように構成される。ＰＴＲガラス光学素子は、様々な目的を果たす。例えば、レーザー媒体が複数のレーザー光源を含む実施形態において、ＰＴＲガラス光学素子は、これらのレーザー光源からの一次レーザー光線を１つの一次レーザー光線に結合するように構成してもよい。すなわち、ＰＴＲガラス光学素子は、光学格子として使用しうる。

ＰＴＲガラス光学素子６４の温度を修正するために、本実施形態のレーザーシステム６０は、二次レーザー光線を発生させるように構成された、ダイオードレーザーなどの二次レーザー光源６６を含む。一次レーザー光線の波長と二次レーザー光線の波長は同じであってもよいが、一実施例における二次レーザー光線は、一次レーザー光線とは異なる波長を有する。従って、この実施例において、一次レーザー光線と二次レーザー光線の波長は互いに区別される。この実施例のレーザーシステムは、二次レーザー光線がＰＴＲガラス光学素子に入射するように構成されている。二次レーザー光線によって、すなわち、二次レーザー光線の波長を有する光によって励起される１つ又は複数の種類のドーパントをＰＴＲガラス光学素子にドープすることで、ドープＰＴＲガラス光学素子の温度を、例えば安定化などにより、修正することができる。ＰＴＲガラス光学素子にドープされるドーパントは、二次レーザー光線によって励起されるだけでなく、一次レーザー光線の波長の光に対して二次レーザー光線の波長の光を優先的に吸収する。ＰＴＲガラス光学素子は、一次レーザー光線及び二次レーザー光線の波長の相対関係に応じて、様々なタイプのドーパントを含むことができる。例えば、一実施例のＰＴＲガラス光学素子は、ネオジム（Ｎｄ）ドーパント、ツリウム（Ｔｈ）ドーパント、又はイッテルビウム（Ｙｂ）ドーパントを含みうるが、これらに限定されるわけではない。

ＰＴＲガラス光学素子６４には、ドーパントを均一にドープしてもよい。あるいは、ＰＴＲガラス光学素子の一方側から二次レーザー光線を照射し、この二次レーザー光線が、ＰＴＲガラス光学素子中を伝播するにつれて、そのエネルギーが徐々にＰＴＲガラス光学素子中に散逸していく実施形態においては、ＰＴＲガラス光学素子内のドーパントの分布を均一ではなく、二次レーザー光線のエネルギーの低下分を補うように変化する、非均一な分布にしてもよい。例えば、より大きなエネルギーの二次レーザー光線を受ける部分ではドーパントを低い割合で含み、より低いエネルギーの二次レーザー光線を受ける部分ではドーパントを大きな割合で含むようにＰＴＲガラス光学素子を構成してもよい。

二次レーザー光線の入射により、同光線の波長の光に反応するドーパントが励起され、ＰＴＲガラス光学素子６４は比較的均一に加熱又は冷却される。なお、一次レーザー光線の伝播によるＰＴＲガラス光学素子の付加的な加熱又は冷却もありうるが、二次レーザー光線によるものと比べると比較的小規模である。従って、一次レーザー光線により光学素子内に形成される温度勾配は実質的に無いと言ってよい。より正確には、未だ温度安定化がなされていない状態において、二次レーザー光線によりＰＴＲガラス光学素子内に形成される程の温度勾配は、少なくとも、一次レーザー光線によっては生じない。また、一実施例において、一次レーザー光線の導入の前に二次レーザー光線を用いてＰＴＲガラス光学素子を予熱してもよい。一次レーザー光線が導入された後は、二次レーザー光線の強度を下げたり、二次レーザー光線を中断したりしてもよい。ただし、予熱の結果、ＰＴＲガラス光学素子の性能は、実質的に変化しないか、あるいは、少なくとも一次レーザー光線の導入後ほどには変化しないこともありうる。

二次レーザー光線は、様々な態様でＰＴＲガラス光学素子６４に入射させることができる。一実施例において、ＰＴＲガラス光学素子のすべての部分が均一に照射されるように、二次レーザー光線を、ＰＴＲガラス光学素子に比較的均一に入射させる。また、例えば、ＰＴＲガラス光学素子の１つ又は複数の面を、図５に示すように反射面６８で被覆してもよい。この場合、反射面は、二次レーザー光線の波長を有する光を反射する一方、一次レーザー光線の波長を有する光を透過する構成とされる。この場合、二次レーザー光線は、例えば、ＰＴＲガラス光学素子内に二次レーザー光線のジグザグのパターンが形成される角度で、本実施例のＰＴＲガラス光学素子内に導入される。これにより、ＰＴＲガラス光学素子内のドーパントを均一に励起することができる。

ＰＴＲガラス光学素子６４を含むレーザーシステム６０及びこれに関連する方法によれば、ＰＴＲガラス光学素子内の温度勾配によって発生する光学収差を低減又は除去することによって、一次レーザー光線の波面が改善される。上述したように、ＰＴＲガラス光学素子は、二次レーザー光線に反応するドーパントを含んでいるため、ＰＴＲガラス光学素子を二次レーザー光線に暴露することによって、例えばドープＰＴＲガラス光学素子の温度を安定化させるなどによって、ドープＰＴＲガラス光学素子の温度を修正することができ、これによってＰＴＲガラス光学素子を含むレーザーシステムの性能が改善される。

本開示に関連する分野の当業者であれば、上記の説明及び関連図面に示された教示を受けて、本明細書に記載された開示の様々な変形例や他の態様を思いつくであろう。従って、本開示は、ここに開示した特定の態様に限定されるものではなく、改変及び他の態様も添付の特許請求の範囲に含まれることが意図されていることを理解されたい。また、本明細書において特定の用語を用いているが、これらは一般的且つ説明的な意味でのみ用いるものであって、限定的なものではない。

本開示は、さらに以下の付記を含む。

付記１．一次レーザー光線を発生させるように構成されたレーザー媒体（１２）と、
前記一次レーザー光線を受信するように構成された少なくとも１つの光学素子（１４）と、
二次レーザー光線を発生させるように構成された二次レーザー光源（１６）と、
前記二次レーザー光線を受信し、前記二次レーザー光線を空間変調することによって空間的強度パターンを有する空間変調二次レーザー光線を生成するように構成された空間光変調器（１８）と、を含むレーザーシステム（１０）であって、
前記空間変調二次レーザー光線が、前記レーザー媒体（１２）又は前記少なくとも１つの光学素子（１４）の少なくとも１つに入射して、前記レーザー媒体（１２）又は前記少なくとも１つの光学素子（１４）の少なくとも１つにおける、前記空間変調二次レーザー光線が入射した部分を熱収縮又は熱膨張させることによって、前記一次レーザー光線の波面を制御可能に変化させるように構成されている、レーザーシステム（１０）。

付記２．前記二次レーザー光線は、前記一次レーザー光線とは異なる波長を有する、付記１に記載のレーザーシステム（１０）。

付記３．前記空間変調二次レーザー光線が入射する前記レーザー媒体（１２）又は前記少なくとも１つの光学素子（１４）の少なくとも１つは、前記二次レーザー光線の波長に反応して励起される少なくとも１種類のドーパントを含む、付記２に記載のレーザーシステム（１０）。

付記４．前記一次レーザー光線の前記波面を測定する波面センサー（２０）と、
前記波面センサーによって測定された前記一次レーザー光線の前記波面に基づいて、前記空間光変調器によって行われる前記二次レーザー光線の空間変調を制御するように構成された制御装置（２２）と、をさらに含む、付記１に記載のレーザーシステム（１０）。

付記５．前記波面センサー（２０）は、前記一次レーザー光線の前記波面を経時的に繰り返し測定するように構成されており、
前記制御装置（２２）は、前記空間光変調器（１８）を制御することによって、前記二次レーザー光線の前記空間的強度パターンを修正して、経時的に前記波面センサー（２０）によって測定された前記一次レーザー光線の前記波面の変化に基づいて、前記二次レーザー光線が前記光学素子（１４）の容積内の熱エネルギーを制御可能に調節することによって、前記光学素子（１４）の熱膨張及び熱収縮を制御し、前記一次レーザー光線の前記波面における収差又は光路差を最小限にするように構成されている、付記４に記載のレーザーシステム（１０）。

付記６．前記一次レーザー光線の前記波面を測定する波面センサー（２０）と、
測定された前記一次レーザー光線の前記波面に基づいて、前記二次レーザー光源（１６）の動作を制御するように構成された制御装置（２２）と、をさらに含む付記１に記載のレーザーシステム（１０）。

付記７．一次レーザー光線の波面を制御する方法であって、
レーザー媒体（１２）によって一次レーザー光線を発生させることと、
前記一次レーザー光線を少なくとも１つの光学素子（１４）に誘導することと、
二次レーザー光線を発生させることと、
前記二次レーザー光線を空間変調することによって、空間的強度パターンを有する空間変調二次レーザー光線を生成することと、
前記空間変調二次レーザー光線を、前記レーザー媒体（１２）又は前記少なくとも１つの光学素子（１４）の少なくとも１つに入射するように誘導することによって、前記レーザー媒体（１２）又は前記少なくとも１つの光学素子（１４）の少なくとも１つにおける前記空間変調二次レーザー光線が入射した部分を熱収縮又は熱膨張させ、前記一次レーザー光線の波面を制御可能に変化させることと、を含む、方法。

付記８．前記二次レーザー光線を発生させることは、前記一次レーザー光線とは異なる波長を有する二次レーザー光線を発生させることを含む、付記７に記載の方法。

付記９．前記空間変調二次レーザー光線が入射する前記レーザー媒体（１２）又は前記少なくとも１つの光学素子（１４）の少なくとも１つは、前記二次レーザー光線の波長に反応して励起される少なくとも１種類のドーパントを含む、付記８に記載の方法。

付記１０．前記一次レーザー光線の前記波面を測定することと、
測定された前記一次レーザー光線の前記波面に基づいて前記二次レーザー光線の空間変調を制御することと、をさらに含む付記７に記載の方法。

付記１１．前記一次レーザー光線の前記波面を経時的に繰り返し測定することと、
前記二次レーザー光線の前記空間的強度パターンを修正することによって、経時的に測定された前記一次レーザー光線の前記波面の変化に基づいて、前記二次レーザー光線が前記光学素子（１４）の容積内の熱エネルギーを制御可能に調節することによって、前記光学素子（１４）の熱膨張及び熱収縮を制御し、前記一次レーザー光線の前記波面における収差又は光路差を最小限にすることと、をさらに含む、付記１０に記載の方法。

付記１２．前記一次レーザー光線の前記波面を測定することと、
測定された前記一次レーザー光線の前記波面に基づいて前記二次レーザー光源（１６）の動作を制御することと、をさらに含む付記７に記載の方法。

付記１３．一次レーザー光線を発生させるように構成されたレーザー媒体と、
前記一次レーザー光線を受信するように構成された、ドープ光熱屈折(ＰＴＲ）ガラス光学素子と、
前記一次レーザー光線とは異なる波長を有する二次レーザー光線を発生させるように構成された二次レーザー光源と、を含み、
前記二次レーザー光線が前記ドープＰＴＲガラス光学素子に入射することによって前記ドープＰＴＲガラス光学素子の温度を修正するように構成されている、レーザーシステム。

付記１４．前記ドープＰＴＲガラス光学素子は、前記二次レーザー光線によって励起されるドーパントを含む、付記１３に記載のレーザーシステム。

付記１５．前記ドーパントは、前記ドープＰＴＲガラス光学素子の全体にわたって均一である、付記１４に記載のレーザーシステム。

付記１６．前記ドーパントは、前記一次レーザー光線の波長の光に対して、前記二次レーザー光線の波長の光を優先的に吸収する、付記１４に記載のレーザーシステム。

付記１７．前記ドーパントは、ネオジム（Ｎｄ）、ツリウム（Ｔｈ）又はイッテルビウム（Ｙｂ）を含む、付記１４に記載のレーザーシステム。

付記１８．前記レーザー媒体は、複数のレーザー光源を含み、前記ドープＰＴＲガラス光学素子は、前記複数のレーザー光源によって発生させられた前記一次レーザー光線を結合するように構成されている、付記１３に記載のレーザーシステム。

付記１９．前記ドープＰＴＲガラス光学素子は、ＰＴＲ光学格子を含む、付記１３に記載のレーザーシステム。

付記２０．前記ＰＴＲ光学格子は、前記一次レーザー光線の波長の光に対して、前記二次レーザー光線の波長の光を優先的に反射するように構成された反射コーティングを含む、付記１３に記載のレーザーシステム。

Claims (20)

1. 一次レーザー光線を発生させるように構成されたレーザー媒体と、
   前記一次レーザー光線を受信するように構成された少なくとも１つの光学素子と、
   二次レーザー光線を発生させるように構成され、前記レーザー媒体とは異なる二次レーザー光源と、
   前記二次レーザー光線を受信し、前記二次レーザー光線を空間変調することによって、異なる強度を有する空間的強度パターンを有する空間変調二次レーザー光線を生成するように構成された空間光変調器と、を含むレーザーシステムであって、
   前記一次レーザー光線の波長とは異なる波長を有する前記空間変調二次レーザー光線が、前記レーザー媒体及び前記少なくとも１つの光学素子の少なくとも１つに入射するように、前記レーザーシステムは構成されており、前記空間変調二次レーザー光線が入射する、前記レーザー媒体及び前記少なくとも１つの光学素子の少なくとも１つは、前記一次レーザー光線の波長に反応して励起されず前記二次レーザー光線の波長に反応して励起される少なくとも１種類のドーパントを含むことにより、前記空間変調二次レーザー光線の入射が、前記レーザー媒体及び前記少なくとも１つの光学素子の前記少なくとも１つにおける部分を熱収縮又は熱膨張させることによって、前記一次レーザー光線の波面を制御可能に変化させるように構成されている、レーザーシステム。
2. 前記二次レーザー光線は、前記一次レーザー光線とは異なる波長を有する、請求項１に記載のレーザーシステム。
3. 前記少なくとも１種類のドーパントは、入射する前記二次レーザー光線のエネルギーを吸収し且つ異なる波長を有する光を放出するように、構成されている、請求項１に記載のレーザーシステム。
4. 前記一次レーザー光線の前記波面を測定するように構成された波面センサーと、
   前記波面センサーによって測定された前記一次レーザー光線の前記波面に基づいて、前記空間光変調器によって行われる前記二次レーザー光線の空間変調を制御するように構成された制御装置と、をさらに含む、請求項１に記載のレーザーシステム。
5. 前記波面センサーは、前記一次レーザー光線の前記波面を経時的に繰り返し測定するよ
   
   うに構成されており、
   前記制御装置は、前記空間光変調器を制御することによって、前記二次レーザー光線の前記空間的強度パターンを修正して、経時的に前記波面センサーによって測定された前記一次レーザー光線の前記波面の変化に基づいて、前記二次レーザー光線が前記光学素子の容積内の熱エネルギーを制御可能に調節することによって、前記光学素子の熱膨張及び熱収縮を制御し、前記一次レーザー光線の前記波面における収差又は光路差を最小限にするように構成されている、請求項４に記載のレーザーシステム。
6. 前記一次レーザー光線の前記波面を測定するように構成された波面センサーと、
   測定された前記一次レーザー光線の前記波面に基づいて、前記二次レーザー光源の動作を制御するように構成された制御装置と、をさらに含む請求項１に記載のレーザーシステム。
7. 一次レーザー光線の波面を制御する方法であって、
   レーザー媒体によって一次レーザー光線を発生させることと、
   前記一次レーザー光線を少なくとも１つの光学素子に誘導することと、
   前記レーザー媒体とは異なる二次レーザー光源によって二次レーザー光線を発生させることと、
   前記二次レーザー光線を空間変調することによって、異なる強度を有する空間的強度パターンを有する空間変調二次レーザー光線を生成することと、
   前記一次レーザー光線の波長とは異なる波長を有する前記空間変調二次レーザー光線を、前記レーザー媒体及び前記少なくとも１つの光学素子の少なくとも１つに入射するように誘導することであって、前記空間変調二次レーザー光線が入射する、前記レーザー媒体及び前記少なくとも１つの光学素子の少なくとも１つは、前記一次レーザー光線の波長に反応して励起されず前記二次レーザー光線の波長に反応して励起される少なくとも１種類のドーパントを含むことにより、前記空間変調二次レーザー光線の前記入射が、前記レーザー媒体及び前記少なくとも１つの光学素子の少なくとも１つにおける部分を熱収縮又は熱膨張させ、前記一次レーザー光線の波面を制御可能に変化させることと、を含む、方法。
8. 前記二次レーザー光線を発生させることは、前記一次レーザー光線とは異なる波長を有する二次レーザー光線を発生させることを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記少なくとも１種類のドーパントは、入射する前記二次レーザー光線のエネルギーを吸収し且つ異なる波長を有する光を放出するように、構成されている、請求項７に記載の方法。
10. 前記一次レーザー光線の前記波面を測定することと、
    測定された前記一次レーザー光線の前記波面に基づいて前記二次レーザー光線の空間変調を制御することと、をさらに含む請求項７に記載の方法。
11. 前記一次レーザー光線の前記波面を経時的に繰り返し測定することと、
    前記二次レーザー光線の前記空間的強度パターンを修正することによって、経時的に測定された前記一次レーザー光線の前記波面の変化に基づいて、前記二次レーザー光線が前記光学素子の容積内の熱エネルギーを制御可能に調節することによって、前記光学素子の熱膨張及び熱収縮を制御し、前記一次レーザー光線の前記波面における収差又は光路差を最小限にすることと、をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記一次レーザー光線の前記波面を測定することと、
    測定された前記一次レーザー光線の前記波面に基づいて前記二次レーザー光源の動作を
    
    制御することと、をさらに含む請求項７に記載の方法。
13. 一次レーザー光線を発生させるように構成されたレーザー媒体と、
    前記一次レーザー光線を受信するように構成された、ドープ光熱屈折(ＰＴＲ）ガラス
    光学素子と、
    前記一次レーザー光線とは異なる波長を有する二次レーザー光線を発生させるように構成され、前記レーザー媒体とは異なる二次レーザー光源と、を含み、
    前記二次レーザー光線が前記ドープＰＴＲガラス光学素子に入射することによって前記ドープＰＴＲガラス光学素子の温度を修正するように構成されており、前記レーザー媒体及び前記二次レーザー光線が入射する前記ドープＰＴＲガラス光学素子の少なくとも１つは、前記一次レーザー光線の波長に反応して励起されず前記二次レーザー光線の波長に反応して励起される少なくとも１種類のドーパントを含む、レーザーシステム。
14. 前記少なくとも１種類のドーパントは、入射する前記二次レーザー光線のエネルギーを吸収し且つ異なる波長を有する光を放出するように、構成されている、請求項１３に記載のレーザーシステム。
15. 前記ドーパントは、前記ドープＰＴＲガラス光学素子の全体にわたって均一である、請求項１３に記載のレーザーシステム。
16. 前記ドーパントは、ネオジム（Ｎｄ）、ツリウム（Ｔｈ）又はイッテルビウム（Ｙｂ）を含む、請求項１３に記載のレーザーシステム。
17. 前記レーザー媒体は、複数のレーザー光源を含み、前記ドープＰＴＲガラス光学素子は、前記複数のレーザー光源によって発生させられた前記一次レーザー光線を結合するように構成されている、請求項１３に記載のレーザーシステム。
18. 前記ドープＰＴＲガラス光学素子は、ＰＴＲ光学格子を含む、請求項１３に記載のレーザーシステム。
19. 前記ＰＴＲガラス光学素子は、前記一次レーザー光線の波長の光に対して、前記二次レーザー光線の波長の光を優先的に反射するように構成された反射コーティングを含む、請求項１３に記載のレーザーシステム。
20. 前記光学素子は、前記レーザー媒体とは異なる要素を備え、且つ、前記一次レーザー光線の波長に反応して励起されず前記二次レーザー光線の波長に反応して励起される前記ドーパントを含む、請求項１３に記載のレーザーシステム。
    

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