CN102684046A - 一种被动锁模光纤激光器及其谐振腔、旋转角度调节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于光纤激光器设计技术领域，提供了一种被动锁模光纤激光器及其谐振腔、旋转角度调节装置。其中的激光器包括泵浦源和单向环形谐振腔，谐振腔包括掺杂光纤、第一光纤耦合单元、隔离单元、波分复用单元，对部分所述具有第二波长值的激光滤波后输出线偏振光的旋转起偏器，改变经旋转起偏器的激光的偏振态的1/2旋转波片、以及改变经1/2旋转波片的激光的偏振态以形成椭圆偏振光的1/4旋转波片。本发明中，谐振腔采用了旋转起偏器，并配合有1/2旋转波片以及1/4旋转波片，通过调整旋转起偏器，1/2旋转波片以及1/4旋转波片的旋转角度，即可形成锁模脉冲，从而简化了谐振腔的内部结构，减小了谐振腔的体积。
Description
技术领域
本发明属于光纤激光器设计技术领域，尤其涉及一种被动锁模光纤激光器及其谐振腔、旋转角度调节装置。
背景技术
近年来，被动锁模光纤激光器以其重复频率高，效率高，光束质量好，可调谐，短脉冲等特点而迅速发展，并在超快光学、超连续谱产生、通信等领域有着重要的应用。
一般地，被动锁模光纤激光器的锁模方式有以下几类：可饱和吸收体锁模，非线性放大环形腔锁模，非线性光学环形腔锁模和非线性偏振旋转锁模。由于锁模脉冲的形成受到谐振腔内偏振态的影响，各种锁模方案往往都需要在谐振腔内***一些偏振器件从而达到改变腔内偏振态的目的进而形成锁模脉冲，常用的偏振器件有偏振控制器，起偏器和波片等。
图1示出了现有技术提供的被动锁模光纤激光器的典型结构，其包括：泵浦源，用于输出具有第一波长值的泵浦光；以及单向环形谐振腔，用于将泵浦源输出的泵浦光转换成短脉冲激光后输出。其中的谐振腔具体包括：作为增益物质的掺杂光纤，用于将泵浦源输出的具有第一波长值的泵浦光转换成具有第二波长值的激光；起偏器，用于对不同强度的激光滤波；光纤耦合单元，用于将部分具有第二波长值的激光耦合入起偏器；偏振控制器，利用光纤弹光效应改变光纤中的双折射，以控制光纤传输的激光的偏振态；隔离单元，用于保证谐振腔中激光传输的单向性；波分复用单元，用于将泵浦源输出的具有第一波长值的泵浦光与经隔离单元后的激光耦合入谐振腔。其中，波分复用单元、掺杂光纤、光纤耦合单元、起偏器、偏振控制器以及隔离单元沿谐振腔中激光传输的方向顺次排列。
可以看出，现有技术中，由于起偏器的偏振方向固定，无法调整其偏振方向，因此需要在谐振腔内***偏振控制器或多个波片才能得到锁模脉冲。在谐振腔内***偏振控制器的方式下，虽然***损耗较小，但由于偏振控制器主要利用了光纤的打圈应力双折射，所以光纤的弯曲半径不能过小，否则会造成断裂，从而造成了偏振控制器的体积较大，不利于产品的小型化。在谐振腔内***多个波片的方式下，往往需要λ/4，λ/2，λ/4三个波片的依次组合才能通过调节得到锁模脉冲的输出，因此体积也较大，不利于产品的小型化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种被动锁模光纤激光器，旨在解决现有技术提供的被动锁模光纤激光器，由于谐振腔中起偏器的偏振方向固定，需要加入体积较大的偏振控制器或多个波片的组合，造成产品的体积较大的问题。
本发明是这样实现的，一种被动锁模光纤激光器，包括泵浦源和单向环形谐振腔，所述谐振腔包括将所述泵浦源输出的具有第一波长值的泵浦光转换成具有第二波长值的激光的掺杂光纤、第一光纤耦合单元、隔离单元、波分复用单元，所述谐振腔还包括：对部分所述具有第二波长值的激光滤波后输出线偏振光的旋转起偏器，改变经所述旋转起偏器的激光的偏振态的1/2旋转波片、以及改变经所述1/2旋转波片的激光的偏振态以形成椭圆偏振光的1/4旋转波片；
所述波分复用单元、掺杂光纤、第一光纤耦合单元、旋转起偏器、1/2旋转波片、1/4旋转波片以及隔离单元沿所述谐振腔中激光传输的方向顺次闭环排列。
进一步地，所述激光器还可以包括：一旋转角度调节装置，其连接所述旋转起偏器、1/2旋转波片以及1/4旋转波片，接收另一部分所述具有第二波长值的激光，并当另一部分所述具有第二波长值的激光是连续光时带动所述旋转起偏器、1/2旋转波片以及1/4旋转波片旋转、而当另一部分所述具有第二波长值的激光是锁模脉冲时停止带动所述旋转起偏器、1/2旋转波片以及1/4旋转波片旋转。
更进一步地，所述旋转角度调节装置可以包括：
连接所述旋转起偏器的第一步进电机；
连接所述1/2旋转波片和1/4旋转波片的第二步进电机；
将输入光信号转换成电信号后输出的第一光电探测单元；
将另一部分所述具有第二波长值的激光中的一部分耦合入所述第一光电探测单元输入端的第二光纤耦合单元；
连接所述第一光电探测单元输出端，将所述第一光电探测单元输出的电信号进行波形放大及整形处理后输出的波形放大及整形单元；
控制单元，其连接所述波形放大及整形单元、第一步进电机以及第二步进电机，根据所述波形放大及整形单元输出的电信号判断另一部分所述具有第二波长值的激光是连续光时通过控制所述第一步进电机而带动所述旋转起偏器旋转、并通过控制所述第二步进电机而带动所述1/2旋转波片以及1/4旋转波片旋转、而当判断另一部分所述具有第二波长值的激光是锁模脉冲时通过控制所述第一步进电机而停止带动所述旋转起偏器、并通过控制所述第二步进电机而停止带动所述1/2旋转波片以及1/4旋转波片旋转。
更进一步地，所述激光器还可以包括：
置于经所述第二光纤耦合单元的另一部分所述具有第二波长值的激光中的另一部分传输路径上的第二光电探测单元。
同时，所述第一光电探测器单元可以是一PIN结构光电探测器；所述控制单元可以是一单片机。
本发明的另一目的在于，还提供了一种被动锁模光纤激光器的谐振腔，所述谐振腔是单向环形谐振腔，包括将所述泵浦源输出的具有第一波长值的泵浦光转换成具有第二波长值的激光的掺杂光纤、第一光纤耦合单元、隔离单元、波分复用单元，所述谐振腔还包括：对部分所述具有第二波长值的激光滤波后输出线偏振光的旋转起偏器，改变经所述旋转起偏器的激光的偏振态的1/2旋转波片、以及改变经所述1/2旋转波片的激光的偏振态以形成椭圆偏振光的1/4旋转波片；
所述波分复用单元、掺杂光纤、第一光纤耦合单元、旋转起偏器、1/2旋转波片、1/4旋转波片以及隔离单元沿所述谐振腔中激光传输的方向顺次闭环排列。
进一步地，所述旋转起偏器，1/2旋转波片以及1/4旋转波片可以均连接一旋转角度调节装置，所述旋转角度调节装置包括：
连接所述旋转起偏器的第一步进电机；
连接所述1/2旋转波片和1/4旋转波片的第二步进电机；
将输入光信号转换成电信号后输出的第一光电探测单元；
将另一部分所述具有第二波长值的激光中的一部分耦合入所述第一光电探测单元输入端的第二光纤耦合单元；
连接所述第一光电探测单元输出端，将所述第一光电探测单元输出的电信号进行波形放大及整形处理后输出的波形放大及整形单元；
控制单元，其连接所述波形放大及整形单元、第一步进电机以及第二步进电机，根据所述波形放大及整形单元输出的电信号判断另一部分所述具有第二波长值的激光是连续光时通过控制所述第一步进电机而带动所述旋转起偏器旋转、并通过控制所述第二步进电机而带动所述1/2旋转波片以及1/4旋转波片旋转、而当判断另一部分所述具有第二波长值的激光是锁模脉冲时通过控制所述第一步进电机而停止带动所述旋转起偏器、并通过控制所述第二步进电机而停止带动所述1/2旋转波片以及1/4旋转波片旋转。
更进一步地，所述第一光电探测器单元可以是一PIN结构光电探测器；所述控制单元可以是一单片机。
本发明的另一目的在于，还提供了一种被动锁模光纤激光器的旋转角度调节装置，所述旋转角度调节装置连接一单向环形谐振腔的旋转起偏器，1/2旋转波片以及1/4旋转波片，所述旋转角度调节装置包括：
连接所述旋转起偏器的第一步进电机；
连接所述1/2旋转波片和1/4旋转波片的第二步进电机；
将输入光信号转换成电信号后输出的第一光电探测单元；
将另一部分所述具有第二波长值的激光中的一部分耦合入所述第一光电探测单元输入端的第二光纤耦合单元；
连接所述第一光电探测单元输出端，将所述第一光电探测单元输出的电信号进行波形放大及整形处理后输出的波形放大及整形单元；
控制单元，其连接所述波形放大及整形单元、第一步进电机以及第二步进电机，根据所述波形放大及整形单元输出的电信号判断另一部分所述具有第二波长值的激光是连续光时通过控制所述第一步进电机而带动所述旋转起偏器旋转、并通过控制所述第二步进电机而带动所述1/2旋转波片以及1/4旋转波片旋转、而当判断另一部分所述具有第二波长值的激光是锁模脉冲时通过控制所述第一步进电机而停止带动所述旋转起偏器、并通过控制所述第二步进电机而停止带动所述1/2旋转波片以及1/4旋转波片旋转。
进一步地，所述第一光电探测器单元可以是一PIN结构光电探测器；所述控制单元可以是一单片机。
本发明中，被动锁模光纤激光器的谐振腔采用了旋转起偏器，并配合有1/2旋转波片以及1/4旋转波片，通过调整旋转起偏器，1/2旋转波片以及1/4旋转波片的旋转角度，即可形成锁模脉冲，从而简化了谐振腔的内部结构，减小了谐振腔的体积。
附图说明
图1是现有技术提供的被动锁模光纤激光器的结构图；
图2是本发明一个实施例提供的被动锁模光纤激光器的结构图；
图3是本发明另一个实施例提供的被动锁模光纤激光器的结构图；
图4是图3中旋转角度调节装置的结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术提供的被动锁模光纤激光器存在的体积较大的问题，本发明中，被动锁模光纤激光器的谐振腔采用了旋转起偏器，以及配合使用的1/2旋转波片和1/4旋转波片。
图2示出了本发明一个实施例提供的被动锁模光纤激光器的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明该实施例相关的部分。
本发明一个实施例中，被动锁模光纤激光器包括：泵浦源11，用于输出具有第一波长值的泵浦光；以及单向环形谐振腔12，用于将泵浦源11输出的泵浦光转换成短脉冲激光后输出。其中的谐振腔12具体包括：作为增益物质的掺杂光纤127，用于将泵浦源11输出的具有第一波长值的泵浦光转换成具有第二波长值的激光；旋转起偏器123；第一光纤耦合单元122，用于将部分具有第二波长值的激光耦合入旋转起偏器123，并由旋转起偏器123对该部分具有第二波长值的激光滤波后输出线偏振光；1/2旋转波片124，用于改变经旋转起偏器123的激光的偏振态；1/4旋转波片125，用于改变经1/2旋转波片124的激光的偏振态以形成椭圆偏振光；隔离单元126，用于保证谐振腔12中激光传输的单向性；波分复用单元121，用于将泵浦源11输出的具有第一波长值的泵浦光与经隔离单元126后的激光耦合入谐振腔12。
其中，波分复用单元121、掺杂光纤127、第一光纤耦合单元122、旋转起偏器123、1/2旋转波片124、1/4旋转波片125以及隔离单元126沿谐振腔12中激光传输的方向(即：图1中虚箭头所示方向)顺次闭环排列。
本发明中，泵浦源11可以并不限于是一功率为500mW的980nm半导体激光器；波分复用单元121可以并不限于是一980/1550波分复用器；掺杂光纤127可以并不限于是一20m长的掺杂光纤，该掺杂光纤在975nm处的吸收系数为7dB/m；第一光纤耦合单元122可以并不限于是一10∶90的耦合器；隔离单元126可以并不限于是一隔离度为30dB的与偏振无关的隔离器。
本发明中，被动锁模光纤激光器的谐振腔12采用了旋转起偏器123，并配合有1/2旋转波片124以及1/4旋转波片125，通过调整旋转起偏器123，1/2旋转波片124以及1/4旋转波片125的旋转角度，即可形成锁模脉冲，从而简化了谐振腔12的内部结构，减小了谐振腔12的体积。
本发明该实施例提供的被动锁模光纤激光器的工作原理如下：耦合入旋转起偏器123的部分具有第二波长值的激光通过旋转起偏器123后形成线偏振光，再经过1/4旋转波片125形成椭圆偏振光；在随后的光纤传输中，由于非线性旋转效应，短脉冲的峰值和脉冲的两翼会有不同的旋转角度，经过长时间的积累，当峰值和两翼旋转角度相差90°时，合理的调整1/2旋转波片124的角度使脉冲峰值完全透过旋转起偏器123而阻挡脉冲的两翼，此时会形成稳定平滑的锁模脉冲，并经第一光纤耦合单元122输出。
为了进一步实现旋转起偏器123，1/2旋转波片124以及1/4旋转波片125的旋转角度的自动调节，本发明另一种被动锁模光纤激光器，如图3示出了本发明另一个实施例提供的被动锁模光纤激光器的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明该实施例相关的部分。
与图2所示不同，本发明另一个实施例提供的被动锁模光纤激光器是在图2所示基础上，增加了一与旋转起偏器123，1/2旋转波片124以及1/4旋转波片125连接的旋转角度调节装置13，用于接收第一光纤耦合单元122输出的另一部分具有第二波长值的激光，并当该另一部分具有第二波长值的激光是连续光时带动旋转起偏器123，1/2旋转波片124以及1/4旋转波片125旋转、而当该另一部分具有第二波长值的激光是锁模脉冲时停止带动旋转起偏器123，1/2旋转波片124以及1/4旋转波片125旋转，此后的被动锁模光纤激光器停留在锁模工作状态下，而输出稳定的锁模脉冲，从而实现了旋转起偏器123，1/2旋转波片124以及1/4旋转波片125的自动旋转调节功能，方便了用户的使用。
图4示出了图3中旋转角度调节装置13的结构。
具体地，旋转角度调节装置13包括：连接旋转起偏器123的第一步进电机135；连接1/2旋转波片124和1/4旋转波片125的第二步进电机136；将输入光信号转换成电信号后输出的第一光电探测单元132；将第一光纤耦合单元122输出的另一部分具有第二波长值的激光中的一部分耦合入第一光电探测单元132输入端的第二光纤耦合单元131；连接第一光电探测单元132输出端，将第一光电探测单元132输出的电信号进行波形放大及整形处理后输出的波形放大及整形单元133；连接波形放大及整形单元133、第一步进电机135以及第二步进电机136，根据波形放大及整形单元133输出的电信号判断第一光纤耦合单元122输出的另一部分具有第二波长值的激光是连续光时通过控制第一步进电机135而带动旋转起偏器123旋转、并通过控制第二步进电机136而带动1/2旋转波片124以及1/4旋转波片125旋转、而当判断第一光纤耦合单元122输出的另一部分具有第二波长值的激光是锁模脉冲时通过控制第一步进电机135而停止带动旋转起偏器123、并通过控制第二步进电机136而停止带动1/2旋转波片124以及1/4旋转波片125旋转的控制单元134。
此外，本发明该实施例提供的被动锁模光纤激光器还可以包括：置于经第二光纤耦合单元131的另一部分具有第二波长值的激光中的另一部分传输路径上的第二光电探测单元14，；第二光纤耦合单元131还用于将第一光纤耦合单元122输出的另一部分具有第二波长值的激光中的另一部分耦合入一第二光电探测单元。
当然，旋转起偏器123、1/2旋转波片124以及1/4旋转波片125也可以由同一步进电机进行控制，或者旋转起偏器123、1/2旋转波片124以及1/4旋转波片125分别采用不同的步进电机进行控制，或采用其它组合的控制方式。
本发明中，第一光电探测器单元132可以并不限于是一PIN结构光电探测器；第二光电探测单元可以并不限于是一型号为NEWPORT 818BB-31的光电探测器；控制单元134可以并不限于是一单片机。
本发明还提供了一种被动锁模光纤激光器的谐振腔，其结构如图2及图3所示，在此不再赘述。
本发明还提供了一种被动锁模光纤激光器的旋转角度调节装置，其结构如图3及图4所示，在此不再赘述。
本发明中，被动锁模光纤激光器的谐振腔12采用了旋转起偏器123，并配合有1/2旋转波片124以及1/4旋转波片125，通过调整旋转起偏器123，1/2旋转波片124以及1/4旋转波片125的旋转角度，即可形成锁模脉冲，从而简化了谐振腔12的内部结构，减小了谐振腔12的体积。并进一步地，本发明的被动锁模光纤激光器还可以包括旋转角度调节装置13，其通过对第一光纤耦合单元122输出的具有第二波长值的激光是连续光或锁模脉冲进行判断，并根据判断结果控制旋转起偏器123，1/2旋转波片124和1/4旋转波片125的旋转与否，从而实现了旋转起偏器123，1/2旋转波片124以及1/4旋转波片125的自动旋转调节功能，方便了用户的使用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种被动锁模光纤激光器，包括泵浦源和单向环形谐振腔，所述谐振腔包括将所述泵浦源输出的具有第一波长值的泵浦光转换成具有第二波长值的激光的掺杂光纤、第一光纤耦合单元、隔离单元、波分复用单元，其特征在于，所述谐振腔还包括：对部分所述具有第二波长值的激光滤波后输出线偏振光的旋转起偏器，改变经所述旋转起偏器的激光的偏振态的1/2旋转波片、以及改变经所述1/2旋转波片的激光的偏振态以形成椭圆偏振光的1/4旋转波片；
所述波分复用单元、掺杂光纤、第一光纤耦合单元、旋转起偏器、1/2旋转波片、1/4旋转波片以及隔离单元沿所述谐振腔中激光传输的方向顺次闭环排列。
2.如权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述激光器还包括：一旋转角度调节装置，其连接所述旋转起偏器、1/2旋转波片以及1/4旋转波片，接收另一部分所述具有第二波长值的激光，并当另一部分所述具有第二波长值的激光是连续光时带动所述旋转起偏器、1/2旋转波片以及1/4旋转波片旋转、而当另一部分所述具有第二波长值的激光是锁模脉冲时停止带动所述旋转起偏器、1/2旋转波片以及1/4旋转波片旋转。
3.如权利要求2所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述旋转角度调节装置包括：
连接所述旋转起偏器的第一步进电机；
连接所述1/2旋转波片和1/4旋转波片的第二步进电机；
将输入光信号转换成电信号后输出的第一光电探测单元；
将另一部分所述具有第二波长值的激光中的一部分耦合入所述第一光电探测单元输入端的第二光纤耦合单元；
连接所述第一光电探测单元输出端，将所述第一光电探测单元输出的电信号进行波形放大及整形处理后输出的波形放大及整形单元；
控制单元，其连接所述波形放大及整形单元、第一步进电机以及第二步进电机，根据所述波形放大及整形单元输出的电信号判断另一部分所述具有第二波长值的激光是连续光时通过控制所述第一步进电机而带动所述旋转起偏器旋转、并通过控制所述第二步进电机而带动所述1/2旋转波片以及1/4旋转波片旋转、而当判断另一部分所述具有第二波长值的激光是锁模脉冲时通过控制所述第一步进电机而停止带动所述旋转起偏器、并通过控制所述第二步进电机而停止带动所述1/2旋转波片以及1/4旋转波片旋转。
4.如权利要求3所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述激光器还包括：
置于经所述第二光纤耦合单元的另一部分所述具有第二波长值的激光中的另一部分传输路径上的第二光电探测单元。
5.如权利要求3所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述第一光电探测器单元是一PIN结构光电探测器；所述控制单元是一单片机。
6.一种被动锁模光纤激光器的谐振腔，所述谐振腔是单向环形谐振腔，包括将所述泵浦源输出的具有第一波长值的泵浦光转换成具有第二波长值的激光的掺杂光纤、第一光纤耦合单元、隔离单元、波分复用单元，其特征在于，所述谐振腔还包括：对部分所述具有第二波长值的激光滤波后输出线偏振光的旋转起偏器，改变经所述旋转起偏器的激光的偏振态的1/2旋转波片、以及改变经所述1/2旋转波片的激光的偏振态以形成椭圆偏振光的1/4旋转波片；
所述波分复用单元、掺杂光纤、第一光纤耦合单元、旋转起偏器、1/2旋转波片、1/4旋转波片以及隔离单元沿所述谐振腔中激光传输的方向顺次闭环排列。
7.如权利要求6所述的被动锁模光纤激光器的谐振腔，其特征在于，所述旋转起偏器，1/2旋转波片以及1/4旋转波片均连接一旋转角度调节装置，所述旋转角度调节装置包括：
连接所述旋转起偏器的第一步进电机；
连接所述1/2旋转波片和1/4旋转波片的第二步进电机；
将输入光信号转换成电信号后输出的第一光电探测单元；
将另一部分所述具有第二波长值的激光中的一部分耦合入所述第一光电探测单元输入端的第二光纤耦合单元；
连接所述第一光电探测单元输出端，将所述第一光电探测单元输出的电信号进行波形放大及整形处理后输出的波形放大及整形单元；
控制单元，其连接所述波形放大及整形单元、第一步进电机以及第二步进电机，根据所述波形放大及整形单元输出的电信号判断另一部分所述具有第二波长值的激光是连续光时通过控制所述第一步进电机而带动所述旋转起偏器旋转、并通过控制所述第二步进电机而带动所述1/2旋转波片以及1/4旋转波片旋转、而当判断另一部分所述具有第二波长值的激光是锁模脉冲时通过控制所述第一步进电机而停止带动所述旋转起偏器、并通过控制所述第二步进电机而停止带动所述1/2旋转波片以及1/4旋转波片旋转。
8.如权利要求7所述的被动锁模光纤激光器的谐振腔，其特征在于，所述第一光电探测器单元是一PIN结构光电探测器；所述控制单元是一单片机。
9.一种被动锁模光纤激光器的旋转角度调节装置，其特征在于，所述旋转角度调节装置连接一单向环形谐振腔的旋转起偏器，1/2旋转波片以及1/4旋转波片，所述旋转角度调节装置包括：
连接所述旋转起偏器的第一步进电机；
连接所述1/2旋转波片和1/4旋转波片的第二步进电机；
将输入光信号转换成电信号后输出的第一光电探测单元；
将另一部分所述具有第二波长值的激光中的一部分耦合入所述第一光电探测单元输入端的第二光纤耦合单元；
连接所述第一光电探测单元输出端，将所述第一光电探测单元输出的电信号进行波形放大及整形处理后输出的波形放大及整形单元；
控制单元，其连接所述波形放大及整形单元、第一步进电机以及第二步进电机，根据所述波形放大及整形单元输出的电信号判断另一部分所述具有第二波长值的激光是连续光时通过控制所述第一步进电机而带动所述旋转起偏器旋转、并通过控制所述第二步进电机而带动所述1/2旋转波片以及1/4旋转波片旋转、而当判断另一部分所述具有第二波长值的激光是锁模脉冲时通过控制所述第一步进电机而停止带动所述旋转起偏器、并通过控制所述第二步进电机而停止带动所述1/2旋转波片以及1/4旋转波片旋转。
10.如权利要求9所述的被动锁模光纤激光器的旋转角度调节装置，其特征在于，所述第一光电探测器单元是一PIN结构光电探测器；所述控制单元是一单片机。
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