KR102189746B1 - 도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 장치 - Google Patents

Abstract

도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 장치에 대해 개시한다. 도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 광섬유의 코팅을 제거하기 위한 광을 출력하는 광원부, 상기 광원부로부터 출력되는 광의 경로상에 설치되고, 상기 광원부에서 조사된 광의 형상을 도넛 형상의 빔으로 변환시키는 변환부, 상기 변환부를 통과한 상기 도넛 형상의 빔의 경로상에 설치되고, 상기 변환부를 통과한 상기 도넛 형상의 빔을 광섬유 표면으로 집속시켜서 상기 광섬유의 코팅을 제거하는 집속부 및 상기 광섬유를 지지하기 위한 지지부를 포함하여 구성된다.

Description

도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 장치{OPTICAL FIBER COATING REMOVAL APPARATUS USING DONUT-SHAPED BEAMS}

아래의 실시예들은 도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 장치에 관한 것이다.

회절 한계 빔 특성을 갖는 광섬유 레이저는 학술, 산업, 군사 등 다방면에서 사용되고 있다. 특히, 이터븀(ytterbium, Yb)을 첨가한 광섬유 레이저는 유지 보수의 편이성, 광섬유 열 방출의 용이성, 레이저 발진 효율성 등을 보이며 광섬유 레이저 출력 증진 연구의 도화점이 되었다.

이러한 이터븀 첨가 광섬유 레이저 구현에 있어서 대구경 이중 클래딩 이터븀 첨가 광섬유는 레이저 구현 핵심 구성요소로 알려져 있다. 대구경 이터븀 첨가 광섬유를 이용하여 레이저를 제작하기 위한 필수 공정으로 융착(Splice)공정이 있다. 융착 공정이란 절단된 광섬유를 붙이는 공정으로 아크 방전, 필라멘트 열원, 레이저 열원 기술 등이 융착 공정 기법으로 알려져 있다. 다양한 방식의 융착 공정에 앞서 이중 클래딩 광섬유의 코팅을 균일하게 제거하는 공정이 요구된다.

균일하지 않은 대구경 이터븀 광섬유의 코팅 제거는 kW급 고출력 레이저 제작 과정에서 광섬유 손상이 발생하여 광섬유 발화를 야기할 수 있고, 융착 과정 중 코팅 일부가 손상되어 고품질의 융착 공정을 수행할 수 없게 된다.

광섬유 코팅 제거 방법으로는 기계식 제거 방법, 화학식 제거 방법, 열 제거 방법, 레이저 제거 방법 등이 일반적이다. 기계적 제거 방식은 니퍼 구조와 같은 철 구조물을 이용하여 코팅을 간단하게 제거할 수 있지만, 광섬유 클래딩에 손상을 야기할 수 있으며 반복적인 코팅 제거 재현성을 확보하기 힘든 단점이 있다. 화학식 제거 방법은 유기 용매를 이용하여 코팅을 제거하는 방법이다. 유기용매를 이용하기 때문에 클래딩에 손상을 일으키지는 않지만, 제거 시간이 오래 걸리고 인체에 해로운 유기용매를 이용하는 단점이 있다. 열을 이용한 코팅 제거는 현재 가장 널리 이용하는 방법이다. 열을 이용한 코팅 제거는 광섬유 클래딩에 손상을 가하지 않고 유기용매를 이용한 방법보다 코팅 제거 시간이 적게 소요된다. 레이저를 이용한 코팅 제거 방식 또한 이용되고 있다. 레이저를 이용할 경우 광섬유에 물리적 손상을 가하지 않고 코팅을 신속히 제거할 수 있다.

레이저를 이용한 코팅 제거는 그동안 광섬유 한쪽 면에 레이저를 조사하거나 광섬유를 회전하여 코팅을 제거하였으며, 최근에는 레이저의 경로를 나누고 두 개의 거울을 이용하여 광섬유 양쪽 면에 레이저를 조사하여 코팅을 제거하는 방법이 보고되었다. 한쪽 면에 레이저를 조사하는 방식은 코팅 제거의 균일성이 감소하는 문제점이 있고, 양쪽 면에 레이저를 조사하는 방식은 설비가 증가하는 문제점이 있다.

전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.

실시예의 목적은, 도넛 형상의 빔을 이용해 광섬유에 물리적 손상을 가하지 않고도 균일하게 광섬유의 코팅을 제거할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

실시예들에서 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

실시예에 따른 도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 장치에 대해 설명한다. 도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 장치는, 광섬유의 코팅을 제거하기 위한 광을 출력하는 광원부, 상기 광원부로부터 출력되는 광의 경로상에 설치되고, 상기 광원부에서 조사된 광의 형상을 도넛 형상의 빔으로 변환시키는 변환부, 상기 변환부를 통과한 상기 도넛 형상의 빔의 경로상에 설치되고, 상기 변환부를 통과한 상기 도넛 형상의 빔을 광섬유 표면으로 집속시켜서 상기 광섬유의 코팅을 제거하는 집속부, 및 상기 광섬유를 지지하기 위한 지지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 측에 따르면, 상기 변환부는, 일면이 원추 형상으로 돌출 형성된 광학 요소를 포함할 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 변환부는, 상기 도넛 형상의 빔의 출사 각도를 조절하기 위한 복수 개의 광학 요소를 포함할 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 변환부는, 광축에 평행한 도넛 형상 빔을 출사 가능하도록 형상이 동일하고 서로 반대 방향으로 배치되는 한 쌍의 광학 요소를 포함할 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 집속부는, 상기 광섬유의 일단이 통과되는 홀, 및 상기 도넛 형상의 빔의 진행 경로를 광섬유 표면으로 향하도록 상기 도넛 형상의 빔의 진행 방향으로 갈수록 상기 홀을 향하여 경사지게 형성된 반사면을 포함할 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 지지부는, 상기 광원부의 광축을 기준으로 상하좌우로 이동 가능할 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 지지부는, 상기 광원부의 광축을 따라서 이동 가능할 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 실시예들에 따르면, 기존의 코팅 제거에 비해 도넛 형상의 빔을 이용하여 광섬유 코팅을 균일하고 효율적으로 제거할 수 있도록 한다.

일 실시예에 따른 도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 장치의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 일 실시예에 따른 도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 변환부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 도3에서 광학요소가 추가되는 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 집속부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에서 코팅 영역이 제거되는 것을 나타낸 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 지지부의 구성을 나타내는 도면이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

어느 하나의 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도면을 참조하여, 실시예들에 따른 도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 장치(이하, '광섬유 코팅 제거 장치'라 함)(10)에 대해서 설명한다. 참고적으로, 도 1은 일 실시예에 따른 광섬유 코팅 제거 장치(10)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 일 실시예에 따른 광섬유 코팅 제거 장치(10)의 구성을 나타내는 블록도이고, 도 3은 일 실시예에 따른 변환부(12)의 구성을 나타내는 도면이고, 도 4는 도3에서 광학요소가 추가되는 구성을 나타내는 도면이고, 도 5는 일 실시예에 따른 집속부(13)의 구성을 나타내는 도면이고, 도 6은 도 5에서 코팅 영역(g1)이 제거되는 것을 나타낸 도면이고, 도 7은 일 실시예에 따른 지지부(14)의 구성을 타내는 도면이다.

도1 및 도2를 참조하면, 광섬유 코팅 제거 장치(10)는 간단한 구성을 갖추고 도넛 형상의 빔을 이용해서 광섬유(G)의 코팅을 효율적으로 제거할 수 있다. 여기서, 제거하려는 코팅 영역(g1)은, 일반적으로 이용되는 싱글 모드 광섬유 또는 이중 클래딩 광섬유의 폴리머 코팅 영역을 의미한다. 통상적으로, "광섬유"라고 함은, 코어(g3) 및 클래딩(g2)을 의미하는 것이 일반적이지만, 이하 본 발명의 서술의 편의를 위하여, 코어(g3) 및 클래딩(g2) 뿐만 아니라, 그 외부에 코팅된 영역인 코팅 영역(g)까지 포함하여, 광섬유(G)라고 지칭하기로 한다.

광섬유 코팅 제거 장치(10)는 광원부(11), 변환부(12), 집속부(13), 및 지지부(14)를 포함하여 구성된다. 또한, 필요에 따라 각 구성요소를 수용하는 하우징이 더 포함될 수 있다.

광원부(11)는 제거하고자 하는 광섬유(G)의 코팅 영역(g1)에 조사되는 높은 에너지를 갖는 출력빔(B1)을 출력한다. 예를 들어, 광원부(11)에서 출력되는 출력빔(B1)은 가시광선보다 짧은 파장을 갖는 자외선과 같은 레이저일 수 있다.

여기서, 광원부(11)는 자외선 레이저 다이오드를 구비할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 광원부(11)는 광섬유(G)의 코팅을 효과적으로 제거할 수 있는 실질적으로 다양한 수단이 사용될 수 있다.

이후에 있어서는, 광원부(11)에서 출력빔(B1)이 출력될 때의 축 중심을 광축이라고 하고, 광축이 연장되는 방향을 광축 방향이라고 한다.

변환부(12)는 광원부(11)에서 출력된 출력빔(B1)의 광축에 중심부를 일치시키고, 광축 방향에 구비된다. 이러한 배치 상태에서, 광원부(11)에서 출력된 출력빔(B1)은, 변환부(12)에 의해 도넛 형상을 갖춘 변환빔(B2)로 변환된다.

변환부(12)는 출력빔(B1)이 입사되는 입사면(121)과 입사된 출력빔(B1)을 소정의 각도로 굴절시켜 출사시키는 출사면(122)을 포함하여 구성된다. 여기서, 출사면(122)은 원추 형상으로 돌출되어 있는 형상을 가진다. 입사면(121)은 예를 들어, 광축에 수직한 평면 형상을 가질 수 있다.

이 때, 도3에 도시된 바와 같이, 입사면(121)으로 입사된 출력빔(B1)은, 출사면(122)의 경사 및 변환부(12)를 구성하는 물질의 굴절율에 따라서, 소정의 각도로 광축을 향하여 굴절되어 출사된다. 측면에서 바라볼때, 도 3과 같이 출력빔(B1)은 광축을 기준으로 대칭 형태로 교차되었다가 발산한다. 즉, 변환부(12)는 광축 방향으로 나아갈수록 증가하는 내경 지름과 외경 지름을 갖는 도넛 형상의 변환빔(B2)을 생성한다.

또한, 변환부(12)는 도넛 형상의 빔의 출사 각도를 조정하기 위해 복수개의 광학 요소를 더 포함할 수 있다.

도 4에 도시한 바와 같이, 일 실시예에 따르면, 변환부(12)는 형상이 동일하고 서로 반대 방향으로 배치되는 한 쌍의 광학 요소를 구비함으로써 광축에 평행한 도넛 형상을 가진 변환빔(B2)으로 변환할 수 있다.

광원부(11)에서 출력된 출력빔(B1)은 첫번째 광학 요소를 통과하면서 발산되고, 두번째 광학 요소를 통과하면서 광축에 평행하고, 소정의 내경 지름과 외경 지름을 갖는 도넛 모양의 변환빔(B2)으로 변환된다.

이 때, 변환빔(B2)의 내경 지름과 외경 지름은, 첫번째 광학 요소와 두번째 광학 요소 사이의 거리를 조정함으로써 조절 가능하다. 변환빔(B2)의 지름을 조절할 수 있도록, 한 쌍의 광학 요소 사이의 거리는 조절 가능하게 배치될 수 있다.

집속부(13)는 변환부(12)에서 변환된 변환빔(B2)의 광축의 경로 상에 위치하고, 변환부(12)에서 변환된 변환빔(B2)이 광섬유(G) 표면으로 향하도록 변환빔(B2)을 반사시킨다. 집속부(13)는, 변환빔(B2)을 광섬유(G)의 표면으로 반사시키기 위한 원뿔 형상의 반사면(131)과, 반사면(131)의 꼭지점 부분에 형성되어 광섬유(G)가 통과되는 구멍으로 기능하는 홀(132)을 포함할 수 있다. 다시 말하면, 집속부(13)는, 원뿔대의 측면에 대응하는 형상을 갖고, 그 내면은 변환빔(B2)을 반사시킬 수 있는 재질로 형성될 수 있다.

반사면(131)에 의하면, 변환빔(B2)의 진행 경로를 광섬유(G) 표면으로 향하도록 할 수 있다. 이를 위해, 반사면(131)은, 변환빔(B2)의 진행 방향으로 갈수록 홀(132)을 향하여 소정의 각도(β)로 경사지게 형성될 수 있다.

이와 같은 형상의 집속부(13)에 의하면, 도 5에 도시한 바와 같이, 광섬유(G) 표면을 균일하게 둘러싸는 형상의 집속빔(B3)을 생성할 수 있다.

예를 들어, 광축에 평행한 도넛 형상의 변환빔(B2)은, 45도 각도로 경사지게 형성된 반사면(131)에 의해 수직으로 진행 경로가 바뀌어 광섬유(G) 표면을 균일하게 둘러쌀 수 있다.

도 6을 참조하면, 광섬유(G)는 중심부에 있는 코어(g3)와, 코어(g3)를 둘러싸고 있는 클래딩(g2)과, 클래딩(g2)을 둘러싸고 있는 코팅 영역(g1)으로 구성된다.

집속빔(B3)는 광섬유(G)의 코팅 영역(g1)의 전면에 조사되면서 코팅 영역(g1)을 균일하게 제거시킬 수 있다.

지지부(14)는 출력된 빔의 진행 경로에서 집속부(13)의 후방에 구비된다. 지지부(14)는, 광원부(11)의 광축을 기준으로 광섬유(G)를 지지하고, 집속부(13)의 홀(132)로 광섬유(G)를 통과시킬 수 있다. 지지부(14)는 광섬유(G)를 파지하는 파지부(141), 광섬유(G)를 X축으로 이동시키는 X축 이동부(142), Y축으로 이동시키는 Y축 이동부(143) 및 Z축으로 이동시키는 Z축 이동부(144)를 포함하여 구성된다.

도 7을 참조하면, 지지부(14)는 광섬유(G)를 광축을 기준으로 상하좌우로 이동시킨다. 또한, 지지부(14)는 광섬유(G)를 광축을 따라 이동시켜 홀(132)을 통과시킨다. 이것에 의해, 지지부(14)는 광섬유(G)의 코팅 영역(g1) 제거 위치를 결정하고, 광섬유(G)를 광축 방향으로 이동시키면서 광섬유(G)의 코팅 제거 길이를 조절할 수 있다.

도면에 도시하지 않으나, 지지부(14)는 광섬유(G)의 동작을 제어하는 제어부(미도시) 및 동력을 제공하는 동력부(미도시)가 구비될 수 있다. 동력부(미도시)는 리니어 모터 등에 의해 구현될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 광섬유 코팅 제거 장치(10)는 물리적으로 접촉하지 않는 레이저를 이용한 비접촉 방식으로 코팅을 제거할 수 있다.

또한, 광섬유 코팅 제거 장치(10)는 간편한 구성을 갖추어 주변 환경에 영향을 받지 않고 설치가 용이하다.

또한, 광섬유 코팅 제거 장치(10)는 레이저를 출력하고 광섬유(G)의 이동을 제어하는 간단한 제어 방식을 통해 신속하게 코팅 영역(g1)을 제거할 수 있다.

또한, 광섬유 코팅 제거 장치(10)는 도넛 형상의 레이저 빔을 광섬유(G)의 전면에 집속시킴으로써 코팅 영역(g1)을 균일하고 일정하게 제거할 수 있다.

또한, 광섬유 코팅 제거 장치(10)는 광섬유 코팅 영역(g1) 제거의 재현성을 확보할 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

10: 도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 장치
11: 광원부
12: 변환부
13: 집속부
14: 지지부
121: 입사면
122: 출사면
131: 반사면
132: 홀
141: 파지부
142: x축 이동부
143: y축 이동부
144: z축 이동부
B1: 출력빔
B2: 변환빔
B3: 집속빔
G: 광섬유
g1: 코팅 영역
g2: 클래딩
g3: 코어

Claims (7)

1. 광섬유의 코팅을 제거하기 위한 광을 출력하는 광원부;
   상기 광원부로부터 출력되는 광의 경로상에 설치되고, 상기 광원부에서 조사된 광의 형상을 도넛 형상의 빔으로 변환시키는 변환부;
   상기 변환부를 통과한 상기 도넛 형상의 빔의 경로상에 설치되고, 상기 변환부를 통과한 상기 도넛 형상의 빔을 광섬유 표면으로 집속시켜서 상기 광섬유의 코팅을 제거하는 집속부; 및
   상기 광섬유를 지지하기 위한 지지부를 포함하고,
   상기 집속부는,
   상기 광섬유의 일단이 통과되는 홀; 및
   상기 도넛 형상의 빔의 진행 경로를 광섬유 표면으로 향하도록 상기 도넛 형상의 빔의 진행 방향으로 갈수록 상기 홀을 향하여 경사지게 형성된 반사면을 포함하는 도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 변환부는, 일면이 원추 형상으로 돌출 형성된 광학 요소를 포함하는 도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 변환부는, 상기 도넛 형상의 빔의 출사 각도를 조절하기 위한 복수 개의 광학 요소를 포함하는 도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 변환부는, 광축에 평행한 도넛 형상의 빔을 출사 가능하도록 형상이 동일하고 서로 반대 방향으로 배치되는 한 쌍의 광학 요소를 포함하는 도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 지지부는, 상기 광원부의 광축을 기준으로 상하좌우로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 지지부는, 상기 광원부의 광축을 따라서 이동 가능한 것을 특징으로 하는 도넛 형상의 빔을 이용한 광섬유 코팅 제거 장치.

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