DE3102301A1 - "interferenzspiegel mit hoher reflexion fuer mehrere spektralbaender" - Google Patents
"interferenzspiegel mit hoher reflexion fuer mehrere spektralbaender"Info
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Description
Derartige hochreflektierende Interferenzspiegei haben
den Mangel, daß - abgesehen von höheren Interferenzordnungen - die angestrebte hohe Reflexion nur in einem
engen Spektralbereich in der Umgebung der Wellenlänge λ m erreichbar ist. Die gleichseitige Reflexion
von Licht mit Wellenlängen außerhalb der unmittelbaren Umgebung von λ m ist mit diesen Interferenzspiegeln
nicht möglich*
Aus der gleichen Quelle sind auch Interferenzspiegel mit einer geringen Schichtenanzahl bekannt, die zwar
einen breiteren Reflexionsbereich haben, deren Nachteil 'jedoch in einem niedrigen Reflexionsgrad besteht.
Um Spiegel hoher Reflexion für erweiterte oder mehrere
Spetetralba'nder gleichzeitig zu erhalten, ist eo weiterhin bekannt, daß verschiedene ',Vechseischichtgruppen
hoher Schichtenzahl und damit von hoher Reflexion entweder auf der Vorder- und Rückseite einer Glasplatte
oder auf der Oberfläche einer Schichtunterlage übereinander angeordnet werden. Jede einzelne dieser YFechselschichtgruppen
ist durch verschiedene Bemessung der optischen Dicken ihrer A/4-Teils3hichten an ein anderes
Spektralband mit maximal zu reflektierenden Wellenlängen Am., /.ΐ&2··* λ% angepaßt. (Optics of '.Dhin Films,
John Wiley + Sons, London 1976, Seite 143 bis 157; SU-Urheberschein
141659} Ch-rat, 4 17997)·
Von Machteil ist hierbei jedoch die Tatsache, daß das Licht der spektralbander, das νjn zunehmend tiefer gelegenen
Wechseischichtgruppen reflektiert wird, vor und
nach der Reflexion erst noch durch die vielen .Teilschichten der darüber liegenden Wecheslschichtgruppen anderer
Spektralbänder gehen muß, und dabei durch Absorption und Lichtstreuung beträchtliche Verluste erleidet im Vergleich
zu dem Licht, das - auf die Lichteinfallsrichtung bezogen - bereits von der vordersten bzw. obersten
Wechselschichtgruppe reflektiert wird. Dabei sind auf die-
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«—-—
l NACH»..
Interiex-enzspiegel mit hoher Reflexion Tür
mehrere Spektralbänder
Die Erfindung betrifft Interferenzspiegel, die für
mehrere getrennte Spektr ilbänder eine hohe Reflexion
haben und Licht in diesen Spektralbändern mit geringsten Absorptions- und Streuverlusten reflektieren. Derartige
Spiegel finden im optischen Gerätebau vor allem dann Anwendung, wenn es auf geringste Verluste für Licht
von mehreren stark getrennten Spektrallinien oder Spektralbändern ankommt. Eine der bedeutendsten Anwendungen
ist der Einsatz al3 Resonatorspiegel in Gaslasern mit mehreren Laserwellenlängen, wo bereits kleine Verluste
durch Absorption und Streuung beträchtlich die Ausgangsleistung der verschiedenen Wellenlängen reduzieren.
Ks ist bekannt, hochrefIsktierende Spiegel, die nach dem
Interferenzprinzip wirken, aus einem ^echselschichtsysteni
von vielen abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden, verlustarmen, nichtmetallischen Schichten, die auf der
Oberfläche von Spiegelkörpern übereinander angeordnet sind, aufzubauen. Die Schichten haben eine optische Dicke
von 74 der Wellenlänge Am, die maximal reflektiert werden
soll, wobei die Anzahl der Schichten hoch sein muß, um eine hohe Reflexion zu erhalten.
(Z.f. Physik U£t 21 bis 41 (1955).)
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nuiig von großer optischer Dicke sein müssen. Das führt
zu einer für das Gesaratschichtsystem für die praktische Herstellung unvertretbar hohen Gesamtdicke, wobei
die dicken Teilschichten erhöhte Verluste durch Absorption und lichtstreuung bewirken· Außerdem ist die mechanische
Haltbarkeit derartiger Schichtsysteme gering.
Die Erfindung hat zum Ziel, die Mängel der bekannten
technischen Lösungen zu beseitigen· Es sollen Interferenzspiegel angegeben werden, die gleichzeitig für
mehrere getrennte Spektralbänder eine hohe Reflexion bei geringsten Verlusten durch Absorption und Lichtstreuung
haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Interferenzspiegel
mit Schichtanordnungen zu schaffen, bei denen die Zunahme der Verluste durch Absorption und Lichtstreuung
für die Spektralbänder, die von tiefer gelege- men Interferenzschichten reflektiert werden, verhindert
werden, und bei denen die Gesautdicke der Schichtanordnung möglichst gering ist.
Die erfindungsgemäße Lösung de; Aufgabe gelingt durch
Interferenzspiegel mit hoher R*.-flexion für mehrere
Spektralbänder, bestehend aus einer Unterlage, auf der y/eciißelschichtgruppen aus nichtmetallischen optisch
verlustarmen Einzelschichten übereinander so angeordnet sind, daß sich die Einzelschichten mit hohem und
niedrigem Brechungsindex abwechseln, dadurch'gekennzeichnet,
daß zwischen benachbarten gleich oder verschieden aufgebauten Wechselachichtgruppen aus 2 bis
9 Einseischichten eine oder mehrere nichtmetallische Kopplungsschichten angeorndet sind. Alle Wechselschichtgruppen
sind auf eine gleiche Meßwellenlänge A0 abgestimmt,
indem die Einzelschichten aller Wechselschichtgruppen eine optische Dicke von 1/4 dieser Maßwellen-
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lh
- y —
se V/eise mehrere Reflexionsbänder mit hoher* Reflexion
und geringen Absorptionsr und Streuverluston gleichseitig
nicht realisierbar.
Um eine genügende Breite des reflektierten Bandes und
eine steile Kante zwischen Reflexions- und Durchlaßgebiet zu erhalten, sind Interferenzfilter bekannt, in
denen zwischen zwei verschiedenen ',Yechselschichtgruppen
hohar Reflexionsrirkung sogenannte Übergangsschichten angeordnet sind. (CH-Pat. 458780). Der wesentlichste
Mangel besteht jedoch darin, daß zwar breite Spektralbereiche niedriger Transmission ausgewiesen werden, die
jedoch in der Praxis r ι einen beträchtlichen Anteil auf
Absorptionseffekten ur 1 nicht auf einer hohen Reflexion
beruhen.
Weiterhin sind einfach·"4 und gekoppelte Bandpaßfilter bekannt,
die aus rein dielektrischen Schichten oder aus einer Kombination von Metallschichten mit dielektrischen
Schichten bestehen. (Optics of Thin Films; John Wiley + Sons, London 1976, Seite 162 bis 177). Diese Bandpaßfilter
haben die Aufgabe, einen Bandpaßbereich hoher Transmission au erzeugen, der zu beiden Seiten durch
Sperrbereiche geringer Transmission begrenzt wird. Auch hierbei ist es besonders nachteilig, daß die Sperrwirkung
in den Sperrbereichen neben der Reflexion ebenfalls auf der Absorptionswirkung der Schichten beruht. Im Zusammenhang
mit der Herstellung und der Funktion von Bandpaßfiltern ergibt sich darüberhinaus keine Lehre,
daß derartige Schicht systeme im Vergleich zu den bekannten
Interferenzspiegeln vorteilhaft als Spiegel für zwei S:ektralbänder eingesetzt werden können.
Zum Stand der Technik gehört es auch, vVechselschichtanordnungen
in höheren Interferenzordnungen zu nutzen, um
mehrere Bereiche hoher Reflexion zu erhalten (Glaste chn. Ber. 24, 147 bis 14-, (1951); SU-Urheberschein
3"1 055). Dabei besteht der wesentliche Mangel darin,
ds.ß die Teilschichten entsprechend der Interferenzord-
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länge Λ haben. Die optische Dicke der nichtmetallischen
Kopplungsschichten beträgt ein ganzzahliges Vielfaches von λο/4.
Die Maßwellenlänge X0 ist dabei eine mittlere Wellenlänge
des spektralen Anwendungsbereiches, in dem die Reflexionsbänder liegen sollen, ι
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß zwischen benachbarten tfechselschichtgruppen eine Kopplungsschicht
angeordnet ist, deren optische Dicke ein ungeradzahliges Vielfaches von A /4 beträgt, oder daß
zwischen benachbarten Wechselschichtgruppen zwei Kopplungsschichten
angeordnet sind, deren optische Dicke ein geradzahliges Vielfaches von λ./4 beträgt»
Zur Realisierung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist es
auch möglich, daß zwischen benachbarten Wechselschichtgruppen eine Kopplungsschicht angeordnet ist, deren op_
tische Dicke ein geradzahliges Vielfaches von λτ,/4 beträgt
.
Bei den gemäß der Erfindung eingesetzten Wechselschichtgruppen
handelt es sich hierbei ausdrücklich um solche mit einer geringen Anzahl von Einzelschichten, sodaß
die einzelne Wechselschichtgruppe für die Maßwellenlänge λ keine hohe Reflexion, sondern nur eine Teilreflexion
ermöglicht, die jedoch wegen der geringen Anzahl der Einzelschichten über einen breiten Spektralbereich
wirksam ist, im Unterschied zu Wechselschichtsystemen nach dem Stand der Technik mit hoher Anzahl
von Einzelschichten für hohe Reflexion, die nur in einem relativ engen Spektralbereich, wirken·
In den erfindungsgemäß eingesetzten Wechselschichtgruppen
mit niedriger, aber über einen relativ breiten Spektralbereich wirkenden Reflexion kann die geringe
Anzahl der Eitizelschichten in Abhängigkeit der jeweils
wirkenden Brechungsindizes 2 bis 9 Einzelschichten betragen.
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Die trotz der Verwendung von Wi chselschichtgruppen der
beschriebenen Art erzielbare hohe Reflexion mit sehr geringen Absorptions- und Streuverlusten wird damit
erklärt, daß durch die erfindungsgsraäße Kopplung
mehrerer solcher Wechselschichtgruppen durch eine oder
mehrere Kopplungsschichten die nicht hoch reflektierende Wirkung der einzelnen Wechselschichtgruppen innerhalb
ihres breiten Reflexionsbereiches in mehreren Spektralbändern zu einer hohen Reflexion verstärkt
wird und im selben Maße die ohnehin geringen Absorptions-
und Streuverluste solcher V/ecnselschichtgruppen
weiter minimiert werdea. Diese Effekte dürften darauf
beruhen, daß das Licht in allen vorhandenen Spektralbändern bereits teilweise von der - auf die Lichteinfallsrichtung
bezogen - vorderen Wechselschiciitgrupoe bzw. den vorderen Wechselschichtgruppen weitgehend reflektiert
wird. Zu den tiefer gelegenen 7/echse !schicht gruppen,
die zur Erzielung einer hohea Reflexion jedoch offensichtlich unerläßlich sind, gelangt nur noch
wenig Licht, so daß diese nicht maßgeblich zu weiteren Verlusten beitragen können·
Die erfindungsgemäßen Schichtanordnungen können beispielsweise
zweckmäßig nach dem Hochvakuumverfahren hergestellt werden, bei dem bekanntlich geeignete
Schichtsubstanzen verdampft wei ΐβη, damit sie sich auf
Oberflächen üblicher Unterlagen als Schichten niederschlagen können. Im nahen UV-, /IS- und nahen IR-Bereicli
können die bekannten Schichtsubstanzen hoher Brechzahl, wie z.B. Zinksuifid (ZnS), Titandioxid
(TiO2), Tantalpentoxid (Ta2Oj-) und die bekannten
Schichtsubstanzen niedriger Brechzahl, wie Kryolith li?g), Magnesiumfluorid (MgP2) oder Siliziumdioxid
) u.a.m. verwendet werden.
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Die Erfindung soll anhand der nachfolgenden AufUhrungsbeispiele
näher erläutert v/erde-i. In der dazugehörigen
Zeichnung veranschaulicht :
Fig. 1, 2 und 3 die spektralen Ref lexionskurver. R (ausgezogene
Kurven) und die spektralen Transmissionsteurven
T (gestrichelte Kurven) der in den Ausführungsbeispielen 1, 2 und 3 beschriebenen erfindungsgemäßen
Interferenzspiegel,
J?ig· 4 zum Vergleich die spektralen Reflexionskurve R
(ausgesogene Kurve) und Transmissionskurve T (gestrichelte Kurve) eines Interferenzspiegels nach
dem Stand der Terhnik.
Ih allen Ausführungsb« ispielen gemäß der Erfindung ist
die spektrale Lage der Reflexionsbänder und ihre Anzahl
durch die Maßwellenlänge· XQ und durch die Summe D der
optischen Dicke einer ,Vechselschichtgruppe D und der
einer Kopplungsschicht DK (D = Dw + D^) festgelegt»
Es gibt z.B. drei Reflexionsbänder mit hoher Reflexion
und sehr geringen Absorptions- und Lichtstreuverlusten
bei den "/eilenlängen Λ η
Ao * u
^v1
-W2
wenn die Kopplungsschichten eine optische Dicke von
einem ungeradzahligen Vielfachen von A /4 haben und
zwischen benachbarten iifechsRlschichtgruppen eine ungeradzahlige
Anzahl von Kopplungsschichten angeordnet ist oder wenn die Kopplungsschichten eine optische Dicke
von einem geradzahligen Vielfachen von Ao/4 habea und
die Anzahl der Kopplungaachichte'i zwischen benachbarten
V/echselschichtgruppen geradzahlig ist,
Ks gibt s/ß. zwei Reflexionsbänder mit hoher Reflexion
und geringen Absorptions- und Lichtstreuverlusten bei
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der. ϊ/e ilen längen
A2 _λΰ . D
wenn die Kopplungsschichten eine optische Dicke von einem ,geradzahligen Vielfacher, von Λ-/4 haben und
swischen benachbarten T/ediselsciiichtgruppen eine un^eradzahlige
Anzahl von Kopplungsschichten angeordnet ist. Die spektralen optischen Einzelheiten eines gegebenen
Schicht systems können durch Messung an den hergestellten Interferenzspiegeln ermittelt werden.
Mit Hilfe der Hochvakimmbedsmpfung wird eia Interferenzspiegel
hergestellt, indem auf einem Grundkörper G (z.B. Glas) eine Anordnung aus -.vechselschichtgruppen
W und Kopplungsschichten E^. und K-, aufgedampft
wird, die sich durch die Formel
veranschaulichen läßt. Bei W bindeIt es sich um
Wechselschichtgruppen mit gerin ;er Anzahl von Einzelschichten, die auf die Ma!'welle :lärr;e A0 abgestimmt
sind und die aus einer V/ec!.iselfolge von niedrigbrechenden
(1ίΛ) und hoehbrechenden(H ) Sinzelschichtea
der optischen Dicke von Λ /4 bestehen, γ/obei innerhalb von WQ jeweils die Anordnung N0H^0E0 vorliegt.
Zwischen den Wechselschichtgruppen \Ί sind jeweils 2
Kopplungsschichten angeordnet, v/obei IC«· = 2H und Kg = 2HQ ist, d.h. in diesem PaIIe haben die Kopplungsschichten
K~ und K™ eine optische Dicke von je
Λο/2. Als Brechzahl wurden berücksichtigt für die
Glasunterlage nG = 1,52, für die niedrigbrechenden
SiO2-Schichten (Ii0) n^ = 1,455 und für die hochbrechenden
TiO2-Schichten (H0) die komplexe Brechzahl
nh " ikh = 2*315 - i . 0,005 (i = -1) mit dem für die
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Absorption verantwortlichen -^bsorpt ions index k„ ~Ot
Der ^bsorptionsindex Ic^ der niedrigbrechenden SiO2 Schichten
v;urde entsprechend der· praktischen Gegebenheiten
vernachlässigt. Die Ma^wellenlänge für die
yt /^--Schichten betragt ][ = 520 nm, so daß entsprechend
dem Aufbau der V/echselschichtgruppen V/ und der
elastischen angeordneten Kopplimgsschichten KL und
sich 3 «eflexionsbändsr ergeben, die nach den angegebenen
Besiehungen f ür A1» Λ2 und A3 bei den V/e Ilen längen
Χ., = 693 nm, A2 = 416 nm und Λ ^ =A0 = 520 nm liegen.
In Fig. 1 ist die spektrale Reflexion R (ausgezogene
obere Kurve) gegenläufig zur Transmission T (gestrichelte untere Kurve) dargestellt, so daß der schraffierte
Bereich zwischen den Kurven ein Maß für die Absorptionsverluste
ist. In den Keflexionsbändern betragen
die Hsflexionsverluste im Arbeitabereich der Minima
nur etv.;a 1 bis 3 % und sind damit nur etwa 2 bis 5 mal
so groß wie für eine einzige A /4-TiO2-Schicht.
Ausführun^sbeispiel 2
unter Zugrundelegung der im Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen
Bedingungen und Definitionen wird ein Interferensspiegel
mit der Schichtanordnung G/
hergestellt, v/obei die V/echselschichtgruppe w die
Einzelachichtanordnung H0N0H0 aufweist, und die
'.Vechselschichtgruppen W aus der Schichtfolge
H IJ HlH bestehen. Die Kopplungsschichten K^ bestehen in diesem Palle aus 5 II -Schichten, d.h. die
Kopplungsschichten haben eine optische Dicke von 5 Λ /4. Eg kamen für den Grundkörper G und für die
Schichten die gleichen Stoffe zur Anwendung wie im Beispiel 1.
Die Maßv.'ellenlänge für die A0/4-Schichten beträgt
Die Maßv.'ellenlänge für die A0/4-Schichten beträgt
Λ = 520 nm, so daß entsprechend dem Aufbau der lechsel
schichtgruppen \Ί und w und der dazwischen ange-
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ordneten Kopplungsschichf.en KL, r?ich 3 Reflexionsbander
ergeben, die nach den oben angegebenen Beziehungen für A1» Λ2 un<* Λ3 bei aen Wellenlängen
A1 ■ 434 nra; ^2 = 65Ο nm und Λ3 = A0 * 520 nm lie
gen.
Die spektralen Reflexions- und Transmissionseisenschaften
sind in Fig. 2 in derselben Weise wie bei Beispiel 1 (Pin· 1) graphisch dargestellt. Die durch den schraffierten
Differenzbereich zwischen der R- und T-Kurve veranschulichten Beflexionsverluste betragen im Arbeitsbereich
der Minima der Reflexionsbänder 1 bis 2VU*
In Analogie zum Beispiel 1 wird-ein .Interferenzspiegel'..
mit der Schichtanordnung
hergestellt, wobei »YQ = H0HQH0 und K51 = 2HQ ist.
Auch hier gelten die gleichen Stoffparameter für G,
K und H_, wie im Beispiel 1.
ο ο* ν
ο ο* ν
Die Ma ßv/e Ilen länge für die Ao/4~Schichcen beträgt
\ a 520 nm, so daß sich entsprechend dem hier vorlie
genden Aufbau der Schichtanordnung 2 Reflexionsbänder
ergeben, die nach den oben angegebenen Beziehungen für
die Hauptwellenlängen der ßeflexionsbander bei λ ^ =
und A2 a 650 nm liegen.
In Pig. 3 sind die resultierende 1 spektralen Reflexions- und Transmissionseimensch ;ften in derselben
V/eise wie in den vorangegangenen Beispielen graphisch dargestellt. Die durch den schraffierten Differenzbereich
zwischen der R- und T-Kurve veranschaulichten Reflexionsverluste betragen im Arbeitsbereich der Minima
der Reflexionsbänder 1 bis 2 %, Um den mit der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabenstellung erreichten Fortschritt zu verdeutliche, werdetn
zum Vergleich mit den Interferenzspiegeln gemäß dar Erfindung in der S'ig. 4 die spektralen Reflexions-
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- yt -
im ί Transiiilsfiionfjlairven eine,?. Interferenzspiegels dargestellt,
wie er nach dem Stand der Technik bekannt ist,
iJs handelt sich dabei um die Anordnung von zv/ei verschiedenen
Wechselschichtsystemen \*L und VZ9 hoher
Sciiichtenzahl auf einem Glas-Grundkörper G, so daß die Gesamt str uktür
G/W2W1
ergibt, wobei
W1 = H1IT1 IT1H1 = IyA1A Sinzelschichten und
W2 = RrJIp*9,..Kk)TJo= 16λ2/2 Einzelschichten bedeuten,
•^as innere direkt auf der GIasoberflache angeordnete
V/echselschichtsystem .'2 ist an die Wellenlänge
2 = 433 nm angepaßt und das äußere Wechselschichtsyst
em ^1 1st an die V/ellenlänge A1 = 650 nm angepaßt.
Zu seiner Herstellung wurden die gleichen Substanzen
verwendet und dieselbe! Brechzahlen, wie in den Beispielen der Erfindung, bei der Berechnung zugrunde gelegt,
V/ie aus den schraffierten Bereichen der Pig, 4 ersichtlich
ist, sind geringe Absorptionsverluste von etwa 1 bis 2% und damit hohe Reflexionswerte nur in einem
Spektralband, und zwar in der Umgebung der Anpaßwellenlänge
λ- = 650 vsd möglich, weil nur dieses
Spektralband von dem - auf die Lichteinfallsrichtung
bezogen - vorderen ,Yechselschichtsystem 'IL reflektiert
wird. In dam zweiten Spelctralband in der Umgebung der WellenlängeA-) = 433 mn ist die Reflexion
stark vermindert, da das Licht aus diesem Spelctralband
vor und nach der Reflexion vom .Vechselechichtsystem W2
erst durch viel? Schichten des darüber angeordneten Weohselschichtsysterns W1 gehen muß und dabei beträchtliche
Absorptionsverluste von 10 bio 301^ erleidet,
die damit etwa 10 mal höher liegen als bei den Interferencspiegeln gemäß der Erfindung,
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Leerseite
Claims (3)
1. Interferenzspiegel mit hoher Reflexion für mehrere
Spektralbänder, bestehend aus einer Unterlage, auf der Wechselschichtgruppen aus nichtmetallischen, optisch
verlustarmen Sinzelschiehten übereinander so angeordnet sind, daß sich die ßinselschichten mit
hohem und niedrigem Brechungsindex abwechseln, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten gleich oder verschieden aufgebauten Wechselschichtgruppen aus
2 bis 9 Einzelschichten eine oder mehrere nichtmetallische Kopplungsschichten angeordnet sind, wobei die
Sinzelschichten aller ./echselschicht gruppen eine optische
Dicke von VA einer Maßwellenlänge Λο haben
und die optische Dicke der nichtmetallischen Kopplungsschichten ein ganzzahliges Vielfaches vonλο/4
beträgt.
2. Interferenzapiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen benachbarten V/echselschichtgruppen
eine Kopplungsschicht angeordnet ist, deren optische Dicke ein ungeradzahliges Vielfaches von A QA
beträgt.
3. Interferenzapiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen benachbarten .Vechselschichtgruppen
zwei Kopplungssch.ichten angeordnet sind, deren
optische Dicke ein geradzahliges Vielfaches von /4 beträgt.
3561
130063/06 01
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BG34870A1 (en) | 1983-12-15 |
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