CN114850660A - 一种涡旋光束的激光加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种涡旋光束的激光加工方法,采用一种激光加工设备,所述激光加工设备包括光源元件、准直镜元件、涡旋相位片、轴锥镜和傅里叶透镜,所述光源元件用于发射高斯光束,所述光源元件、准直镜元件、涡旋相位片、轴锥镜和傅里叶透镜沿光束传播方向依次设置;所述涡旋光速的激光加工方法包括以下步骤:获取高斯光束、生成涡旋光束、调节焦点光斑、激光加工。本发明取得的有益效果:通过径向偏振和角向偏振的涡旋光束进行激光切割加工,能够有效提高切割效率,并能够获得更好的断面质量,能够适用于纵深比较高的金属加工。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工方法的技术领域,具体涉及一种涡旋光束的激光加工方法。
背景技术
激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度,靠光热效应来加工的。采用的形式为组合透镜形式,通过高斯光束对材料进行加工。而如何对光束空间传输整体特性的相位和能量分布进行优化,成为了激光加工工艺的优化和研究方向。
公告号为CN113770548A的中国发明专利申请文件公开了一种激光加工***、激光加工方法及获取椭圆形光斑的方法。上述激光加工***中,通过设置第一相位调制元件及第二相位调制元件对光束的相位进行调制,在经过第一聚焦单元的聚焦后,光束在照射至待加工件上会形成焦深较大的椭圆形光斑,沿椭圆形光斑的长轴方向更容易形成裂纹,只需要合理控制椭圆形光斑的长轴方向,即可对裂纹的方向进行控制,使裂纹朝有利于对待加工件进行切割的方向发展,使待加工件不易发生崩边现象;另外,沿光线传播方向,第一切割光束在待加工件内部呈贯穿性的能量分布,如此,切割道更加均匀、锥度较小,切割断面更加平整。提供了一种能够通过透镜组改变光斑形状的技术方案,以改变能量分布。
随着技术的不断发展,对激光切割加工效率和切割断面质量的要求也在不断提高,为满足使用需求,现有技术仍然需要更进一步提高激光切割加工的加工效率和切割断面质量。故现有技术存在加工效率较低和切割断面质量较差的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明的目的在于提供一种涡旋光束的激光加工方法,其包括以下步骤:获取高斯光束、生成涡旋光束、调节焦点光斑、激光加工,该涡旋光束的激光加工方法具有加工效率较高和切割断面质量较好的优点。
为实现上述发明目的,本发明采取的技术方案如下:
一种涡旋光束的激光加工方法,采用一种激光加工设备,所述激光加工设备包括光源元件、准直镜元件、涡旋相位片、轴锥镜和傅里叶透镜,所述光源元件用于发射高斯光束,所述光源元件、准直镜元件、涡旋相位片、轴锥镜和傅里叶透镜沿光束传播方向依次设置;
所述涡旋光速的激光加工方法包括以下步骤:
S1、获取高斯光束:光源元件发射高斯光束,高斯光束通过准直镜元件后照射到涡旋相位片;
S2、生成偏振光束:高斯光束通过涡旋相位片后生成涡旋光束,并使涡旋光束发生矢量偏振,涡旋相位片相位的琼斯矩阵其中Q为相位角45°的琼斯矩阵,Pxy为涡旋相位片分割区域内像素对应的x,y位置的相位信息;
S3、调节焦点光斑:涡旋光束依次通过轴锥镜和傅里叶透镜;
S4、激光加工:使涡旋光束照射在工件上,对工件进行加工。
通过这样的设置:通过径向偏振和角向偏振的涡旋光束进行激光切割加工,能够有效提高切割效率,并能够获得更好的断面质量,能够适用于纵深比(深度/光束直径)较高的金属加工。能够根据不同的加工调节和需求对涡旋光束进行调节,起到方便优化切割光束在焦点处的能量分布,使***能够适用于不同种类、不同厚度的材料以及不同的加工调节,有效提高了适用性。
作为优选,在所述步骤S3后,还包括以下步骤:
S3.1、检查偏振状态:准备测试材料,将通过傅里叶透镜后的涡旋光束照射到测试材料形成激光诱导周期性表面,通过检查激光诱导周期性表面结构确认涡旋光束在焦点处的偏振状态。
通过这样的设置:通过在测试材料上检查激光诱导周期性表面以判断偏振状态,不需要使用光学分析仪器即可实现间接检测焦点处涡旋光束偏振状态的功能,有效避免仪器的损坏,并能够保证检测的可靠性,能够十分可靠的应用于激光切割***当中。
作为优选,在所述步骤S3.1中,还包括以下步骤:
通过观测激光诱导周期性表面在焦点处印刻的重复线性结构,确认涡旋光束在焦点处的偏振状态。
通过这样的设置:实现了通过在测试材料上检查激光诱导周期性表面以判断偏振状态的功能。
作为优选,在所述步骤S3.1中,还包括以下步骤:
对所述测试材料进行多次不同深度的切割测试,产生多种深度和多种几何轮廓形状的切口,对所述切口的断面进行表征。
通过这样的设置:能够判断断面质量较好的切割深度,有利于优化切割参数。
作为优选,在所述步骤S3后,还包括以下步骤:
S3.1、检查偏振状态:使用分光镜对涡旋光束进行分光,并通过分光镜将涡旋光束分出的光束照射照射到光束质量分析仪上,通过光束质量分析仪对涡旋光束进行监测。
通过这样的设置:实时对涡旋光束进行监测,具有方便监测的优点。
作为优选,在所述步骤S2中,还包括以下步骤:
通过这样的设置:起到方便控制焦点光斑和优化激光切割参数的作用。
作为优选,在所述步骤S2中,还包括以下步骤:
通过这样的设置:起到方便控制焦点光斑和优化激光切割参数的作用。
作为优选,在所述步骤S2后,还包括以下步骤:
涡旋相位片将光束转化为径向偏振的涡旋光束。
通过这样的设置:能够有效提高切割效率,并能够获得更好的断面质量。
作为优选,在所述步骤S2后,还包括以下步骤:
涡旋相位片将光束转化为角向偏振的涡旋光束。
通过这样的设置:能够有效提高切割效率,并能够获得更好的断面质量。
作为优选,在所述步骤S2后,还包括以下步骤:
矢量偏振的涡旋光束的波长为1080nm,重复率为5kHz,功率为6kW。
通过这样的设置:在提高切割效率的同时,保证切割出来的断面质量。
相对于现有技术,本发明取得了有益的技术效果:
1、光源光纤用于向涡旋相位片发出线性偏振光束,利用涡旋相位片和轴锥镜的组合将光束转化为贝塞尔高斯光束的形式,贝塞尔高斯光束通过傅里叶透镜,利用傅里叶透镜对贝塞尔高斯光束形式的光束进行焦点光斑的调制,最终实现发射出径向或角向偏振的涡旋光束。通过径向偏振和角向偏振的涡旋光束进行激光切割加工,能够有效提高切割效率,并能够获得更好的断面质量,能够适用于纵深比(深度/光束直径)较高的金属加工。
2、通过涡旋相位片的激光光束也发生偏振,从而实现通过涡旋相位片生成偏振的涡旋光束的功能,并能够通过相位角对涡旋相位片的偏振进行控制,从而能够起到激光切割加工过程中涡旋光束的偏振振幅、频率等参数,有效提高了***控制的灵活性,同时也方便光束传输后端的极性控制。能够根据不同的加工调节和需求对涡旋光束进行调节,起到方便优化切割光束在焦点处的能量分布,使***能够适用于不同种类、不同厚度的材料以及不同的加工调节,有效提高了适用性。
3、通过涡旋相位片、轴锥镜和傅里叶透镜生成偏振的涡旋光束进行切割,激光腔结构简单可靠,有利于降低***制造成本,具有结构简单可靠和成本较低的优点。
4、通过计算涡旋相位片相位的琼斯矩阵Txy对涡旋光束焦点处的偏振进行控制,起到方便控制焦点光斑和优化激光切割参数的作用。
5、通过检查焦点处的光束的偏振状态,从而能够有效确保涡旋光束在焦点处偏振模式的完整性得到保持,从而确保涡旋光束在切割加工中能够具有较好的加工性能,起到保证激光加工的断面质量和切割效率的作用。
6、由于激光加工过程中光束能量较高,尤其是在偏振后的涡旋光束,存在能量聚集在烧蚀图案边缘的现象,若直接采用光学分析仪器对光束进行分析,则峰值强度较高的激光非常容易损坏靠近焦点平面的光学器件。本申请通过在测试材料上检查激光诱导周期性表面以判断偏振状态,不需要使用光学分析仪器即可实现间接检测焦点处涡旋光束偏振状态的功能,有效避免仪器的损坏,并能够保证检测的可靠性,能够十分可靠的应用于激光切割***当中。
附图说明
图1是本发明实施例1中一种涡旋光束的激光加工方法的流程示意图;
图2是本发明实施例1中一种激光加工设备的结构示意图;
图3是本发明实施例1中不同轨道角动量下涡旋相位片的相位示意和焦点光束能量分布的示意图;
图4是本发明实施例1中径向偏振和角向偏振的偏振光束的矢量和涡流相移模式的示意图。
其中,各附图标记所指代的技术特征如下:
1、光源元件;2、安装座;3、准直镜元件;4、涡旋相位片;5、轴锥镜;6、傅里叶透镜;7、电机;8、丝杆。
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,以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明,但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
实施例1:
参考图1和图2,一种涡旋光束的激光加工方法,采用一种激光加工设备,激光加工设备包括光源元件1、准直镜元件3、涡旋相位片4、轴锥镜5、傅里叶透镜6和控制组件。光源元件1为光源光纤,光源元件1用于发射高斯光束。光源元件1、准直镜元件3、涡旋相位片4、轴锥镜5和傅里叶透镜6沿光束传播方向依次设置。控制组件包括电机7、丝杆8和安装座2,电机7输出轴与丝杆8固定连接,安装座2与丝杆8螺纹连接且用于安装涡旋相位片4,安装座2与电机7相对平移,从而使电机7能够通过丝杆8和安装座2带动涡旋相位片4沿光束传播方向平移,实现控制组件调节涡旋相位片4位置的功能,通过控制组件调节涡旋相位片4的位置,起到焦点光斑的作用。
涡旋光速的激光加工方法包括以下步骤:
S1、获取高斯光束:光源元件1发射高斯光束,高斯光束通过准直镜元件3后照射到涡旋相位片4。
S2、生成偏振光束:高斯光束通过涡旋相位片4后生成涡旋光束,并使涡旋光束发生矢量偏振,通过调整高斯光束与涡旋相位片4表面快轴分布的方位角,从而实现了控制偏振矢量的功能(也可以通过采用不同的涡旋相位片4,使通过涡旋相位片4的光束在不同的涡流相移模式下发生不同矢量的偏振);涡旋相位片4相位的琼斯矩阵其中Q为相位角45°的琼斯矩阵,Pxy为涡旋相位片4分割区域内像素对应的x,y位置的相位信息;相位角45°的琼斯矩阵Q符合涡旋相位片4分割区域内像素对应的x,y位置的相位信息Pxy符合其中φxy表示涡旋相位片4的相位角,且相位角φxy与涡旋相位片4分割区域内x,y的位置相对应;涡旋相位片4将光束转化为径向偏振的涡旋光束或角向偏振的涡旋光束;矢量偏振的涡旋光束的波长为1080nm,重复率为5kHz,功率为6kW。
S3、调节焦点光斑:涡旋光束依次通过轴锥镜5和傅里叶透镜6,使涡旋光束聚焦于焦点处。
S3.1、检查偏振状态:准备测试材料,将通过傅里叶透镜6后的涡旋光束照射到测试材料形成激光诱导周期性表面,通过检查激光诱导周期性表面结构确认涡旋光束在焦点处的偏振状态;通过观测激光诱导周期性表面在焦点处印刻的重复线性结构,确认涡旋光束在焦点处的偏振状态;对测试材料进行多次不同深度的切割测试,产生多种深度和多种几何轮廓形状的切口,对切口的断面进行表征;对断面的表征包括记录断面粗糙度、挂渣程度和缺口深度;
激光诱导周期性表面(LIPSS)是材料经过达到脉冲烧蚀阈值的激光加工后形成的表面,通过观测偏振的涡旋光束照射测试材料后,测试材料上形成的激光诱导周期性表面在焦点处印刻的重复线性结构,且该重复线性结构垂直于偏振矢量结构,从而能够能够检查和判断照射到测试材料上的激光的偏振状态,确保涡旋光束处于正确的偏振状态。
S4、激光加工:使涡旋光束照射在工件上,对工件进行加工。
在该涡旋光速的激光加工方法中,涡旋相位片4相位的琼斯矩阵Txy符合下列等式:
光束照射到涡旋相位片4上时所得矢量相对于入射偏振的角度为由于φxy对于每个像素都是独立可控的,因此能够实现偏振的空间相关旋转,即能够通过控制入射偏振的角度来改变涡旋相位图案。通过在相邻像素之间的相移中引发变化,在涡旋相位片4的像素阵列上创建整体涡旋相位图案,如图3所示。通过改变涡旋光束的轨道角动量能够改变涡旋光束相位角的焦点能量分布,从而改变焦点处光斑的图案,进而能够实现通过调节涡旋光束的轨道角动量控制光束能量分布的作用。
参考图4,在不同的偏振光束的偏振矢量下,涡旋光束的涡流相移模式也会发生不同。
通过径向偏振的涡旋光束、角向偏振的涡旋光束和无偏振的激光光束对10mm厚的不锈钢板进行切割,得到实测数据如表1所示:
表1径向偏振的涡旋光束、角向偏振的涡旋光束和无偏振的激光光束切割测试数据
根据表1可得出,使用偏振的涡旋光束能够有效提高激光切割的断面质量和整体加工效率。而采用径向偏振的涡旋光束整体切割速度达到了2.5米每分钟,切割速度高于角向偏振的涡旋光束和无偏振的激光光束,达到了优化激光加工参数、提高断面质量和提高加工效率的效果。
本实施例具有以下优点:
光源光纤用于向涡旋相位片4发出线性偏振光束,利用涡旋相位片4和轴锥镜5的组合将光束转化为贝塞尔高斯光束的形式,贝塞尔高斯光束通过傅里叶透镜6,利用傅里叶透镜6对贝塞尔高斯光束形式的光束进行焦点光斑的调制,最终实现发射出径向或角向偏振的涡旋光束。通过径向偏振和角向偏振的涡旋光束进行激光切割加工,能够有效提高切割效率,并能够获得更好的断面质量,能够适用于纵深比(深度/光束直径)较高的金属加工。
通过涡旋相位片4的激光光束也发生偏振,从而实现通过涡旋相位片4生成偏振的涡旋光束的功能,并能够通过相位角对涡旋相位片4的偏振进行控制,从而能够起到激光切割加工过程中涡旋光束的偏振振幅、频率等参数,有效提高了***控制的灵活性,同时也方便光束传输后端的极性控制。能够根据不同的加工调节和需求对涡旋光束进行调节,起到方便优化切割光束在焦点处的能量分布,使***能够适用于不同种类、不同厚度的材料以及不同的加工调节,有效提高了适用性。
通过涡旋相位片4、轴锥镜5和傅里叶透镜6生成偏振的涡旋光束进行切割,激光腔结构简单可靠,有利于降低***制造成本,具有结构简单可靠和成本较低的优点。
通过计算涡旋相位片4相位的琼斯矩阵Txy对涡旋光束焦点处的偏振进行控制,起到方便控制焦点光斑和优化激光切割参数的作用。
通过检查焦点处的光束的偏振状态,从而能够有效确保涡旋光束在焦点处偏振模式的完整性得到保持,从而确保涡旋光束在切割加工中能够具有较好的加工性能,起到保证激光加工的断面质量和切割效率的作用。
由于激光加工过程中光束能量较高,尤其是在偏振后的涡旋光束,存在能量聚集在烧蚀图案边缘的现象,若直接采用光学分析仪器对光束进行分析,则峰值强度较高的激光非常容易损坏靠近焦点平面的光学器件。本申请通过在测试材料上检查激光诱导周期性表面以判断偏振状态,不需要使用光学分析仪器即可实现间接检测焦点处涡旋光束偏振状态的功能,有效避免仪器的损坏,并能够保证检测的可靠性,能够十分可靠的应用于激光切割***当中。
通过显微镜观测激光诱导周期性表面在焦点处印刻的重复线性结构。当激光光斑中心周围形成近似圆形图案时,则意味着焦点处的涡旋光束有径向偏振,涡旋光束处于径向偏振的偏振状态;而角向偏振的涡旋光束产生的烧蚀图案与径向偏振的涡旋光束产生的烧蚀图案相互垂直,会形成围绕焦点中心的激光点,因此通过烧蚀图案判断涡旋光束是否处于径向偏振或角向偏振的偏振状态,实现检查和判断激光处于正确的偏振状态,从而能够通过烧蚀图案边缘的刻印进行确认分析,进而实现了通过在测试材料上检查激光诱导周期性表面以判断偏振状态的功能。
通过在测试材料上进行切割测试,并对多种不同的深度和多种不同的集合轮廓形状的切口的断面进行表征,从而能够方便将不同切口的断面相比较,进而能够判断断面质量较好的切割深度,有利于优化切割参数。
实现了相位角45°的琼斯矩阵Q的计算,从而能够对涡旋相位片4相位的琼斯矩阵Txy进行计算。通过计算涡旋相位片4相位的琼斯矩阵Txy对涡旋光束焦点处的偏振进行控制,起到方便控制焦点光斑和优化激光切割参数的作用。
实现了涡旋相位片4分割区域内像素对应的x,y位置的相位信息Pxy的计算,从而能够对涡旋相位片4相位的琼斯矩阵Txy进行计算。通过计算涡旋相位片4相位的琼斯矩阵Txy对涡旋光束焦点处的偏振进行控制,起到方便控制焦点光斑和优化激光切割参数的作用。
通过涡旋光束将光源元件1发出的线性偏振光束转化为径向偏振的涡旋光束,从而能够通过径向偏振的涡旋光束进行激光切割加工,能够有效提高切割效率,并能够获得更好的断面质量。
通过涡旋光束将光源元件1发出的线性偏振光束转化为角向偏振的涡旋光束,从而能够通过角向偏振的涡旋光束进行激光切割加工,能够有效提高切割效率,并能够获得更好的断面质量。
采用功率6kW的涡旋激光进行切割加工,具有激光功率较大的优点,能够有效提高切割效率。并且,矢量偏振的涡旋光束的波长为1080nm,重复率为5kHz,在提高切割效率的同时,保证切割出来的断面质量。
实施例2:
一种涡旋光束的激光加工方法,采用一种激光加工设备,激光加工设备包括光源元件、准直镜元件、涡旋相位片、轴锥镜、傅里叶透镜和控制组件,光源元件用于发射高斯光束,光源元件、准直镜元件、涡旋相位片、轴锥镜和傅里叶透镜沿光束传播方向依次设置,控制组件与涡旋相位片连接且用于控制通过涡旋相位片的光束的偏振矢量;
涡旋光速的激光加工方法包括以下步骤:
S1、获取高斯光束:光源元件发射高斯光束,高斯光束通过准直镜元件后照射到涡旋相位片。
S2、生成偏振光束:高斯光束通过涡旋相位片后生成涡旋光束,并使涡旋光束发生矢量偏振,涡旋相位片相位的琼斯矩阵其中Q为相位角45°的琼斯矩阵,Pxy为涡旋相位片分割区域内像素对应的x,y位置的相位信息;相位角45°的琼斯矩阵Q符合涡旋相位片分割区域内像素对应的x,y位置的相位信息Pxy符合其中φxy表示涡旋相位片的相位角,且相位角φxy与涡旋相位片分割区域内x,y的位置相对应;涡旋相位片将光束转化为径向偏振的涡旋光束或角向偏振的涡旋光束;矢量偏振的涡旋光束的波长为1080nm,重复率为5kHz,功率为6kW。
S3、调节焦点光斑:涡旋光束依次通过轴锥镜和傅里叶透镜。
S3.1、检查偏振状态:使用分光镜对涡旋光束进行分光,并通过分光镜将涡旋光束分出的光束照射照射到光束质量分析仪上,通过光束质量分析仪对涡旋光束进行监测。
S4、激光加工:使涡旋光束照射在工件上,对工件进行加工。
本实施例具有以下优点:
通过分光镜对涡旋光束进行分光,使光束质量分析仪能够对涡旋光束进行监测,从而能够通过光束质量分析仪对涡旋光束进行监测。通过光束质量分析仪监测光束在焦点处的能量分布,从而能够根据能量分布判断涡旋光束的偏振状态。当涡旋光束在焦点处光照强度较高的位置形成以光斑中心周围近似圆形的图案时,则意味着焦点处的涡旋光束有径向偏振,涡旋光束处于进行偏振的状态;而角向偏振的涡旋光束产生的光照强度较高的位置形成的图案与涡旋光束产生的图案相互垂直,从而实现检查和判断激光的偏振状态。能够实时对涡旋光束进行监测,具有方便监测的优点。
根据上述说明书的揭示和教导,本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此,本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式,对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外,尽管本说明书中使用了一些特定的术语,但这些术语只是为了方便说明,并不对发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种涡旋光束的激光加工方法,其特征在于,采用一种激光加工设备,所述激光加工设备包括光源元件(1)、准直镜元件(3)、涡旋相位片(4)、轴锥镜(5)和傅里叶透镜(6),所述光源元件(1)用于发射高斯光束,所述光源元件(1)、准直镜元件(3)、涡旋相位片(4)、轴锥镜(5)和傅里叶透镜(6)沿光束传播方向依次设置;
所述涡旋光速的激光加工方法包括以下步骤:
S1、获取高斯光束:光源元件(1)发射高斯光束,高斯光束通过准直镜元件(3)后照射到涡旋相位片(4);
S2、生成偏振光束:高斯光束通过涡旋相位片(4)后生成涡旋光束,并使涡旋光束发生矢量偏振,涡旋相位片(4)相位的琼斯矩阵其中Q为相位角45°的琼斯矩阵,Pxy为涡旋相位片(4)分割区域内像素对应的x,y位置的相位信息;
S3、调节焦点光斑:涡旋光束依次通过轴锥镜(5)和傅里叶透镜(6);
S4、激光加工:使涡旋光束照射在工件上,对工件进行加工。
2.根据权利要求1所述的涡旋光束的激光加工方法,其特征在于,在所述步骤S3后,还包括以下步骤:
S3.1、检查偏振状态:准备测试材料,将通过傅里叶透镜(6)后的涡旋光束照射到测试材料形成激光诱导周期性表面,通过检查激光诱导周期性表面结构确认涡旋光束在焦点处的偏振状态。
3.根据权利要求2所述的涡旋光束的激光加工方法,其特征在于,在所述步骤S3.1中,还包括以下步骤:
通过观测激光诱导周期性表面在焦点处印刻的重复线性结构,确认涡旋光束在焦点处的偏振状态。
4.根据权利要求2所述的涡旋光束的激光加工方法,其特征在于,在所述步骤S3.1中,还包括以下步骤:
对所述测试材料进行多次不同深度的切割测试,产生多种深度和多种几何形状的切口,对所述切口的断面进行表征。
5.根据权利要求1所述的涡旋光束的激光加工方法,其特征在于,在所述步骤S3后,还包括以下步骤:
S3.1、检查偏振状态:使用分光镜对涡旋光束进行分光,并通过分光镜将涡旋光束分出的光束照射照射到光束质量分析仪上,通过光束质量分析仪对涡旋光束进行监测。
8.根据权利要求1所述的涡旋光束的激光加工方法,其特征在于,在所述步骤S2后,还包括以下步骤:
涡旋相位片(4)将光束转化为径向偏振的涡旋光束。
9.根据权利要求1所述的涡旋光束的激光加工方法,其特征在于,在所述步骤S2后,还包括以下步骤:
涡旋相位片(4)将光束转化为角向偏振的涡旋光束。
10.根据权利要求1所述的涡旋光束的激光加工方法,其特征在于,在所述步骤S2后,还包括以下步骤:
矢量偏振的涡旋光束的波长为1080nm,重复率为5kHz,功率为6kW。
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