CN111624702B - 一种正交双轴非球面光纤微透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种正交双轴非球面光纤微透镜。其特征是：它由椭圆芯光纤经热扩散制备而成。正交双轴非球面光纤微透镜是在恒温场中，经热扩散制备而成，精细设计的椭圆芯光纤的椭圆芯掺杂剂扩散后，折射率分布变为非圆周对称的准高斯分布，可以等效为微透镜。本发明提供了一种纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜，同时具有制作简单、成本低的优点。本发明可用于纤维集成的微透镜的制备，可广泛应用于基于纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜的微型内窥镜、细胞生物光纤成像***、光纤光镊***、微型无人机等领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种正交双轴非球面光纤微透镜，可用于纤维集成的微透镜的制备，可广泛应用于基于纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜的微型内窥镜、细胞生物光纤成像***、光纤光镊***、微型无人机等领域。
(二)背景技术
随着现代工业与科学技术的发展，人们已经逐步进入到信息化时代。信息技术的快速发展要求一个完整的信息***能在尽可能小的空间内实现尽可能多的功能，这就要求实现各种功能的器件尽可能地小，向小型化、微型化方向发展。
纤维集成的微光学元件具有体积小、重量轻、设计制造灵活、制造成本低，并易于实现阵列化和批量化生产等优点，能够实现普通光学元件难以实现的功能，在光纤通信、信息处理、航空航天、生物医学、激光技术、光计算等领域具有重要的应用价值。
随着研究的不断深入，人们提出了很多微光学元件的制备方法，主要有半导体光刻工艺法、单点金刚石车削、电子束刻蚀、飞秒激光直写等。半导体光刻工艺需要用到掩模板，利用紫外光曝光，通过显影将微结构转移到光刻胶上。这种方法工艺成熟，适合大批量制作，平均成本低。缺点是加工的结构只能是平面的，加工多阶结构时需要多次套刻，对准精度要求高，成本急剧上升。单点金刚石车削加工的表面粗糙度小，一般表面粗糙度都在10nm以下，适合加工任意回转形貌的结构。加工的精度取决于刀头和机床，对机床的精度要求高，加工材料有所限制，加工结构的尺寸不能太小。电子束刻蚀分为扫描式和投影式，扫描式不需要掩模板，对准、拼接均由计算机自动控制，加工精度极高。缺点是设备复杂、成本昂贵、单次曝光面积小、制作大尺寸结构时间太长。投影式加工速度快，但掩模制备困难。两种方式都需要在真空中进行，极大地限制了其适用范围。飞秒激光加工是一种无接触、高精度的微纳光电器件加工方法，对可应用的材料具有很强的广泛性。缺点是设备成本高，加工工艺复杂，加工效率比较低。
由于制造工艺的影响，目前的透镜***在形状和尺寸等方面受到了限制。用于光纤与微光学元件纤维集成的制作技术，最近已经提出了使用诸如聚焦离子束铣削，干涉光刻，纳米压印技术，光刻，抛光技术等制造技术的不同方法，将微光学元件直接加工制造在光纤的端面上。然而他们具有加工难度大，复杂的制造装置等缺点。
而热扩散加工技术具有易于实现、成本低和操作简单等优点，热扩散技术在微机电***，光集成器件，光通信和光纤传感中具有巨大的应用潜力。光纤经过热扩散处理，会在热扩散加工区域形成平滑的折射率渐变，平滑渐变的折射率区域具有微透镜的效果。对精细设计的椭圆芯光纤进行热扩散加工，可制备纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜。
专利CN01144937.3公开了一种具备透镜功能的光纤及其制造方法，使用周期长度显示透镜功能的渐变折射率光纤，对突变折射率光纤有效。该方法能够对单模光纤进行准直，但是不具有正交双轴非球面光纤微透镜的功能。
专利CN201210011571.6公开了一种大模面积的单模光纤连接器及制造方法，将阶跃型多模光纤进行纤芯掺杂元素的热扩散，形成沿径向向外减小的折射率渐变透镜，主要用于大模面积的单模光纤连接，不具备正交双轴非球面光纤微透镜的功能。
专利CN201721647567.3公开了一种激光光纤准直聚焦透镜，其特点是在玻璃管一端接入光纤，另一端连接透镜。因为使用微型透镜的方式进行光束准直，无法适用***连接等情况，限制了使用的范围，而且制造比较困难。
专利US4269648A公开了一种将微球耦合透镜安装在光纤上的方法，使用粘合剂可以将微球耦合透镜安装到光纤的末端上。公开了一种在光纤端制造微透镜的方法，但是该方法制作工艺复杂，且不具备正交双轴非球面光纤微透镜的功能。
专利US7013678B2公开了一种渐变折射率光纤透镜的制造方法，渐变折射率光纤透镜是光纤通信***中的重要组件，可以作为透镜使用，但是渐变折射率光纤透镜不具备正交双轴非球面光纤微透镜的功能，且该方法工艺比较复杂，生产成本高。
专利US7228033B2公开了一种光波导透镜及其制造方法，通过将均匀的玻璃透镜毛坯熔接到光纤的远端，加热并拉伸透镜毛坯，使其分成两段，并将该段连接到定义锥形端的光纤上，然后将透镜毛坯加热到其软化点以上，从而形成球形透镜。该光波导透镜可以用于光束的准直或聚焦，但是该方法制造的透镜，不具备正交双轴非球面光纤微透镜的功能。
本发明公开了一种正交双轴非球面光纤微透镜，本发明可用于纤维集成的微透镜的制备，可广泛应用于基于纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜的微型内窥镜、细胞生物光纤成像***、光纤光镊***、微型无人机等领域。它采用热扩散技术，对精细设计的椭圆芯光纤在恒温场中进行热扩散处理，在热扩散区域形成非圆周对称的准高斯分布的折射率渐变区，对热扩散后的椭圆芯光纤进行定长度切割，即可制备不同尺寸的正交双轴非球面光纤微透镜。与在先技术相比，由于采用了热扩散技术和精细设计的椭圆芯光纤，能够将微透镜集成到光纤上，并且能够在光纤上实现纤维集成的非球面透镜的功能，还可以低成本、批量且高效的制备纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种制作简单、成本低、可批量生产的一种正交双轴非球面光纤微透镜。
本发明的目的是这样实现的：
该正交双轴非球面光纤微透镜由椭圆芯光纤经热扩散制备而成。正交双轴非球面光纤微透镜是在恒温场中，经热扩散制备而成，精细设计的椭圆芯光纤的椭圆芯掺杂剂扩散后，折射率分布变为非圆周对称的准高斯分布，可以等效为微透镜。
热扩散技术常用于基模场的扩展，热扩散能够使光纤中的掺杂剂分布渐变为稳定的准高斯分布。将精细设计的椭圆芯光纤放入恒温场中进行加热，椭圆芯中的掺杂剂分布渐变为稳定的非圆周对称的准高斯分布，且光纤的归一化频率在加热过程中不变。掺杂剂的非圆周对称的准高斯分布，使椭圆芯光纤的折射率分布渐变为非圆周对称的准高斯分布，光束传播过程中，向着折射率较高的区域弯曲，因此使热扩散后的椭圆芯光纤具有非球面微透镜的功能。
在热扩散过程中，随时间t的变化，局部掺杂浓度C可表示为：
公式(1)中D是掺杂剂扩散系数；t是加热时间。D主要取决于不同掺杂剂的种类、主体材料以及局部加热温度。在大多数情况下，考虑锗在光纤的纤芯中的扩散时，在其轴对称几何结构上，光纤的加热温度相对于径向位置r几乎是均匀不变的，并且假定扩散系数D相对于径向位置r是不变的。在实践中，忽略轴向上的掺杂剂的扩散，则在圆柱坐标系中简化扩散方程(1)为：
掺杂剂的掺杂浓度C是径向距离r与加热时间t的函数。扩散系数D也受加热温度的影响，表示为：
公式(3)中T(z)表示加热温度，单位为K，与炉内光纤的纵向位置相关；R＝8.3145(J/K/mol)是理想气体常数；参数D0和Q可以从实验数据中得到。考虑初始边界条件：
其中，a为常数，表示光纤的直径。
掺杂剂局部掺杂浓度分布C可以表示为：
公式(5)中f(r)是初始浓度分布，在光纤边界表面r＝a处的浓度为0。J0是第一类零阶Bessel函数，特征值αn是其正根
J0(aαn)＝0 (6)
假设光纤在整个热扩散区域的折射率分布与掺杂剂分布成比例，则热扩散后光纤的折射率分布可表示为：
公式(7)中ncl和nco分别是光纤包层和中间芯的折射率。在加热温度场为1600℃时，椭圆芯光纤的折射率分布，随加热时间t的变化。曲线21、22、23分别为椭圆芯光纤加热0h、0.2h、0.4h后，沿光纤a轴径向方向的折射率分布(如图2a)；曲线24、25、26分别为椭圆芯光纤加热0h、0.2h、0.4h后，沿光纤b轴径向方向的折射率分布(如图2c)。经过0.4h的热扩散处理后，椭圆芯光纤a轴(如图2b)和b轴(如图2d)的折射率分布都趋向于稳定的准高斯分布。椭圆芯a轴和b轴的热扩散系数相同，但直径不同，因此热扩散后，折射率分布不同。
渐变折射率透镜已经广泛应用于准直、聚焦和耦合等光学元件和器件。渐变折射率透镜是指折射率沿轴向、径向或者球面连续变化的透镜。对于折射率径向渐变的正交双轴非球面光纤微透镜，光纤的中心折射率最高，且随着径向距离中心轴的距离增加而减小。
椭圆芯光纤经过0.4h热扩散后，制备成的纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜的截面折射率如图3所示。图4是纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜的截面折射率的三维显示。从图中可以看出，正交双轴非球面光纤微透镜的折射率分布为椭圆形，即为非圆周对称的准高斯分布，中心折射率最高，且随着径向距离中心轴的距离增加而减小。
本发明制备纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜时，可对椭圆芯光纤进行精细设计，包括对椭圆芯的几何尺寸、掺杂剂种类、数值孔径等进行设计。
本发明制备纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜时，是在恒温场中，经过热扩散制备而成。恒温场的温度，在1000℃以上。椭圆芯掺杂剂不同的椭圆芯光纤的热扩散系数不同。
本发明制备纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜时，在恒温场中加热扩散一定时间之后，对热扩散后的椭圆芯光纤进行定长度切割，即可制备不同尺寸的正交双轴非球面光纤微透镜。
本发明制备纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜的制备方法，其特征是包括以下步骤：
第一步，对椭圆芯光纤进行精细设计，包括对椭圆芯的几何尺寸、掺杂剂种类、数值孔径等进行设计。
第二步，对椭圆芯光纤进行热扩散处理，将椭圆芯光纤放在恒温场中进行热扩散处理，加热一定时间之后，椭圆芯光纤的折射率分布渐变为稳定的非圆周对称的准高斯分布。
第三步，对椭圆芯光纤进行切割，将热扩散后的椭圆芯光纤进行定长度切割，即可制备不同尺寸的正交双轴非球面光纤微透镜。
本发明制备纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜时，经过一定时间的热扩散处理后，椭圆芯光纤的折射率分布趋向于稳定的非圆周对称的准高斯分布，光纤的中心折射率最高，且随着径向距离中心轴的距离增加而减小。椭圆芯光纤经过热扩散处理后，在热扩散加工区域，掺杂剂形成平滑的非圆周对称的准高斯分布。掺杂剂的分布为非圆周对称的准高斯分布，则椭圆芯光纤的折射率分布也为非圆周对称的准高斯分布，光束传播过程中，向着折射率较高的区域弯曲，因此使热扩散后的椭圆芯光纤具有微透镜功能。
如图3所示，为纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜的截面折射率分布为椭圆形，即为非圆周对称的准高斯分布，光纤的中心折射率最高，且随着径向距离中心轴的距离增加而减小。光束传播过程中，向着折射率较高的区域弯曲，入射的光束经过微透镜时，中心及边缘的光线会逐渐向折射率高的区域弯曲，而a轴和b轴对光线弯曲的能力不同，相当于非球面微透镜。因此在正交双轴非球面光纤微透镜中传输一段距离后，光束会变成椭圆形的光场分布。
本发明制备的纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜，可实现对光束整形的功能，使高斯光束等整形为椭圆形的光场分布。对纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜进行定长度切割，即可制备不同尺寸的正交双轴非球面光纤微透镜，实现不同需求的光束整形的功能。
本发明对椭圆芯光纤精细设计时，可以根据需要，椭圆芯的掺杂剂为一种或多种掺杂的不同掺杂剂。使用椭圆芯光纤进行正交双轴非球面光纤微透镜制备时，设计更大的椭圆芯直径，或增长加热时间、提高加热温度，可以制备更大模场直径的正交双轴非球面光纤微透镜。使用一种或多种掺杂的不同掺杂剂，不影响正交双轴非球面光纤微透镜光束整形功能的实现。
本发明提供的纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜，由椭圆芯光纤经热扩散制备而成。与在先技术相比，由于采用了热扩散技术和精细设计的椭圆芯光纤，能够将微透镜集成到光纤上，并且能够在光纤上实现纤维集成的非球面透镜的功能，还可以低成本、批量且高效的制备纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜。
(四)附图说明
图1是一种纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜经热扩散制备前后折射率分布变化的示意图。
图2a是椭圆芯光纤的沿a轴折射率分布随着加热时间t的变化在温度场为1600℃内的变化的示意图，而图2b是椭圆芯光纤加热0.4h后沿a轴的折射率分布示意图，图2c是椭圆芯光纤的沿b轴折射率分布随着加热时间t的变化在温度场为1600℃内的变化的示意图，而图2d是椭圆芯光纤加热0.4h后沿b轴的折射率分布示意图。
图3是椭圆芯光纤加热0.4h后的截面折射率分布。
图4是椭圆芯光纤加热0.4h后的截面折射率分布的三维显示。
图5是实施例中椭圆芯光纤的截面示意图。51为椭圆芯光纤的包层，52为椭圆芯光纤的椭圆芯。
图6是实施例中单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜的结构示意图。61为单模光纤，62为由椭圆芯光纤制备而成的纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜。
图7a是实施例中单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜沿a轴方向的折射率分布，图7b是实施例中单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜沿a轴方向的折射率分布的三维显示，图7c是实施例中单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜沿b轴方向的折射率分布，图7d是实施例中单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜沿b轴方向的折射率分布的三维显示。
图8a是实施例中单模光纤的纤端出射的光场分布，图8b是实施例中单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜沿a轴方向的纤端出射的光场分布，图8c是实施例中单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜沿b轴方向的纤端出射的光场分布，图8d是实施例中单模光纤的纤端出射光场的光强分布，图8e是实施例中单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜沿a轴方向的纤端出射光场的光强分布，图8f是实施例中单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜沿b轴方向的纤端出射光场的光强分布。
图9a～g分别为实施例中光束在单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜中，传播0μm、80μm、180μm、280μm、380μm、480μm、580μm时切面的光场分布。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施例1：
本实施例椭圆芯光纤的截面示意图，如图5所示。51为椭圆芯光纤的包层，52为椭圆芯光纤的椭圆芯。
本实施例纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜的制备步骤为：
第一步，对椭圆芯光纤进行精细设计，包括对椭圆芯的几何尺寸、掺杂剂种类、数值孔径等进行设计。本实施例所精细设计的椭圆芯光纤的参数为，包层半径为62.5μm，椭圆芯的a轴半径为17.5μm、b轴半径为10μm，数值孔径为0.14。椭圆芯光纤的掺杂剂种类为锗。
第二步，对椭圆芯光纤进行热扩散处理。将一段椭圆芯光纤放在恒温场中进行热扩散处理，恒温场的温度为1600℃，加热0.4h后，椭圆芯光纤的折射率分布渐变为稳定的非圆周对称的准高斯分布。
第三步，对椭圆芯光纤进行切割，将热扩散后的椭圆芯光纤进行定长度切割，即可制备不同尺寸的正交双轴非球面光纤微透镜。
先取一段单模光纤，将热扩散后的椭圆芯光纤与单模光纤进行焊接，在热扩散后的椭圆芯光纤侧进行定长度切割，使其作为纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜，组成单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜的结构，如图6所示。61为单模光纤；62为定长度切割的热扩散后的椭圆芯光纤，作为微透镜焊接在单模光纤61的纤端。
利用有限元法对光纤热扩散处理过程建立模型，对热扩散处理后折射率分布的变化进行了仿真。如图7a所示，是单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜沿a轴方向的折射率分布，图7c是单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜沿b轴方向的折射率分布。所建立的仿真模型中，单模光纤61的长度为5μm，数值孔径为0.14，纤芯直径为9μm，包层直径为125μm；纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜62的长度为380μm。图7b是实施例中单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜沿a轴方向的折射率分布的三维显示，图7d是实施例中单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜沿b轴方向的折射率分布的三维显示。
纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜62，具有平滑渐变的折射率分布过渡，且折射率分布为椭圆形，即是稳定的非圆周对称的准高斯分布，中心折射率最高，且随着径向距离中心轴的距离增加而减小。
本实施例中正交双轴非球面光纤微透镜的折射率分布为椭圆形，分别沿其a轴和b轴的过中心线的切面进行建模仿真。利用有限元法分别对单模光纤的出射光场，单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜的出射光场进行了仿真。所建立的单模光纤61的仿真模型中，单模光纤61的长度为20μm，真空63的长度为200μm。所建立的单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜仿真模型中，单模光纤61的长度为5μm，纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜62的长度为380μm，真空63的长度为200μm。仿真结果如图8所示。图8a所示，为单模光纤61的纤端出射的光场分布，图8b是单模光纤61+正交双轴非球面光纤微透镜62沿a轴方向的纤端出射的光场分布，图8c是单模光纤+正交双轴非球面光纤微透镜沿b轴方向的纤端出射的光场分布，图8d是单模光纤61的纤端出射光场的光强分布，图8e是单模光纤61+正交双轴非球面光纤微透镜62沿a轴方向的纤端出射光场的光强分布，图8f是单模光纤61+正交双轴非球面光纤微透镜62沿b轴方向的纤端出射光场的光强分布。
对比图8a、8b和8c，分别为单模光纤61、单模光纤61+正交双轴非球面光纤微透镜62沿a轴方向和单模光纤61+正交双轴非球面光纤微透镜62沿b轴方向的纤端出射的光场分布。光束在在纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜62中传播时，沿a轴方向和沿b轴方向的光线逐渐向折射率高的区域弯曲，即单模光纤61+正交双轴非球面光纤微透镜62中出射光束的发散角比单模光纤61出射光束的发散角要小。但是沿b轴方向的折射率更高，沿b轴方向对光线的弯曲能力更强，沿b轴方向的光束发散相比沿a轴方向更小，正交双轴非球面光纤微透镜62相当于非球面微透镜。因此光束在正交双轴非球面光纤微透镜62中传输一段距离后，光束会变成椭圆形的光场分布。对比单模光纤61与单模光纤61+正交双轴非球面光纤微透镜62的纤端出射的光场分布，本发明提供的正交双轴非球面光纤微透镜62具有光束整形的功能。
对比图8d、8e和8f，分别为单模光纤61、单模光纤61+正交双轴非球面光纤微透镜62沿a轴方向和单模光纤61+正交双轴非球面光纤微透镜62沿b轴方向的纤端出射光场的光强分布。光纤端出射光场的光强分布取其光束出射时，光场分布能量最大值的1/2e。对比可以看出，光束在纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜62中传播时，沿a轴方向和沿b轴方向的光线逐渐向折射率高的区域弯曲，即单模光纤61+正交双轴非球面光纤微透镜62中出射光束光场的能量比单模光纤61出射光束光场的能量要为集中，传播的距离更远。但是沿b轴方向的折射率更高，沿b轴方向对光线的弯曲能力更强，因此沿b轴方向的光束光场的能量相比沿a轴方向更为集中，并在真空63中稳定传播。本发明提供的正交双轴非球面光纤微透镜62，具有对光束进行整形，且准直的功能。
利用光束传播法建立仿真模型，图9a～g分别为实施例中光束在单模光纤61+正交双轴非球面光纤微透镜62中，传播0μm、80μm、180μm、280μm、380μm、480μm、580μm时切面的光场分布。光束在轴向方向上传播时，由单模光纤61中圆周对称的高斯分布光场，光束直径分别沿a轴、b轴逐渐变大，且b轴的光束直径小于a轴的光束直径。因此在纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜62中传播时，圆周对称的高斯分布光束逐渐变成非圆周对称的椭圆形分布的光束，并在真空63中稳定传播。
本发明实施例提供的纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜，能够将微透镜集成到光纤上，并且能够在光纤上实现纤维集成的非球面微透镜的功能。与在先技术相比，由于采用了热扩散技术和精细设计的椭圆芯光纤，可以低成本、批量且高效的制备纤维集成的正交双轴非球面光纤微透镜。
以上所述，仅为本发明的优选实施例，但本发明的保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员根据本发明的精神和范围，对本发明进行各种改动和变化，均应包含在本发明权利要求保护范围内。
Claims (5)
1.一种正交双轴非球面光纤微透镜，其特征在于：由精细设计的椭圆芯光纤经热扩散制备而成，所述热扩散是在恒温场中，椭圆芯掺杂剂扩散后，折射率分布变为非圆周对称的准高斯分布，等效为微透镜。
2.根据权利要求1所述的正交双轴非球面光纤微透镜，是在恒温场中，经过热扩散制备而成，恒温场的温度，在1000℃以上。
3.根据权利要求1所述的正交双轴非球面光纤微透镜，在恒温场中加热扩散一定时间之后，对热扩散后的椭圆芯光纤进行定长度切割，制备不同尺寸的正交双轴非球面光纤微透镜。
4.根据权利要求1所述的正交双轴非球面光纤微透镜，对椭圆芯光纤进行精细设计，椭圆芯光纤具有不同的椭圆芯的几何尺寸、掺杂剂种类、数值孔径。
5.根据权利要求1所述的正交双轴非球面光纤微透镜，其特征是包括如下步骤：
1)、对椭圆芯光纤进行精细设计
对椭圆芯的几何尺寸、掺杂剂种类、数值孔径进行设计；
2)、对椭圆芯光纤进行热扩散处理
将椭圆芯光纤放在恒温场中进行热扩散处理，加热一定时间之后，椭圆芯光纤的折射率分布渐变为稳定的非圆周对称的准高斯分布；
3)、对椭圆芯光纤进行切割
对热扩散后的椭圆芯光纤进行定长度切割，制备不同尺寸的正交双轴非球面光纤微透镜。
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