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JP3837499B2 - Pulse laser time synchronizer and arbitrary waveform generator - Google Patents

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JP3837499B2
JP3837499B2 JP2002091043A JP2002091043A JP3837499B2 JP 3837499 B2 JP3837499 B2 JP 3837499B2 JP 2002091043 A JP2002091043 A JP 2002091043A JP 2002091043 A JP2002091043 A JP 2002091043A JP 3837499 B2 JP3837499 B2 JP 3837499B2
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JP
Japan
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laser
wavelength
pulse
frequency
light
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JP2002091043A
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洋平 小林
健二 鳥塚
ツイ イ ウェイ
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Lasers (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信、医療、科学技術分野において超短パルス光源として広く用いられるフェムト秒パルスレーザー発生装置に関し、特にその同期制御装置とこれを用いた任意波形生成装置に関する。
【0002】
【従来技術】
従来、フェムト秒パルスレーザーの同期制御技術として、代表的なものは以下の2つがある。
1つ目は、異なる波長の独立な超短パルスレーザーの同期制御を、それぞれのレーザーのパルス間隔を電気回路、例えばカウンター等で検出し、その偏差を一方の共振器長のミラーを駆動する圧電素子にフィードバックすることにより行う方法である。この方法ではカウンター等の電気回路の分解能および圧電素子の分解能などでタイミングジッターがきまり、このタイミングジッターは製品レベルでピコ秒(1ピコ秒=10^−12秒)のオーダー(参考文献〔1〕:スペクトラフィジックス社総合カタログ’00−’01、p18, lok−to−clock参照)、研究レベルで10〜20フェムト秒のオーダーとなっている(参考文献〔2〕:R. K. Shelton, et. al., 国際会議 CLEO2001, CTuG2参照)。
【0003】
2つ目は、一つのレーザー媒質に対して二つの共振器を作る方法である。用いるレーザー媒質をチタンサファイアレーザーとしたものについては、時間タイミング同期した2波長のパルスを取り出すことができている(参考文献〔3〕:S. J. White, et. al., 国際会議 CLEO2000, CThB5,参考文献〔4〕:J. M. Evans, et. al., Opt. Lett. 18, 1074 (1993),参考文献〔5〕:A. Leitenstorfer, et. al., Opt. Lett.20, 916 (1995),参考文献〔6〕:M. R. X. de Barros et. al., Opt. Lett. 18, 631 (1993),参考文献〔7〕:D. R. Dykaar, et. al.,Opt Lett. 18, 634 (1993)参照)。
【0004】
上記の場合、二つのレーザーパルスがレーザー結晶内で4光波混合を起こしてパルスタイミング同期を起こしているものと考えられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記2つ目のチタンサファイアレーザーによる2波長タイミング同期レーザーは、レーザー媒質が一つであるため、レーザー媒質の特性から近接した2波長に限定されている。また、二つのパルスともチタンサファイア結晶がゲイン媒質となっているためゲインの競合がおこり、パルスの重なりがよい状況ではかえって不安定になる性質がある。
このため、チタンサファイアレーザーによる2波長タイミング同期レーザーでは、離れた波長の2つのパルスレーザーの同期をとることは困難となった。
【0006】
また、上記1つ目の電気回路等を用いる方法では,タイミングジッターの影響が大きすぎてフェムト秒パルスレーザーの同期制御は正確に行えなかった。
本発明は、上記の課題を解決するために、離れた波長の2つの超短パルスレーザー間のタイミング同期がとれるようにしたパルスレーザーの時間同期装置およびこれを用いた任意波形生成装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために以下の手段を採用する。
(1)モード同期パルスレーザーの時間同期装置において、レーザー共振器全体の群速度分散をマイナスに設定し、3次の非線形光学媒質からなり第1のゲイン帯域を有する第1のレーザー媒質と、3次の非線形光学媒質からなり前記第1のゲイン帯域に含まれない第2のゲイン帯域を有する第2のレーザー媒質と、前記第1と第2のレーザー媒質をそれぞれ個別に備えた第1および第2の共振器とからなり、両共振器を一方のレーザー媒質中で両レーザーパルスが空間的に重なって3次光非線形効果を介して互いの光伝搬に影響を及ぼし合うように配置するとともに、前記第2のレーザー媒質の発振波長を第1のレーザー媒質の結晶では発振できない波長としたことを特徴とする。
【0008】
(2)上記(1)記載のモード同期パルスレーザーの時間同期装置において、両レーザーパルスが重なるように配置した一方のレーザー媒質の屈折率特性を、先行する一方のレーザーパルスの時間領域の光非線形効果である非線形屈折効果によって赤方変位または青方変位特性に変化させ、後行する他方のレーザーパルスを前記レーザー媒質に透過させ、先行する一方のレーザーパルスに後行する他方のレーザーパルスの伝搬速度が変化してタイミングが同期するように作用させることを特徴とする。
【0009】
(3)上記(1)記載のモード同期パルスレーザーの時間同期装置において、前記第1のレーザー媒質に基づく第1のレーザーパルスの隣り合う周波数成分の間隔と前記第2のレーザー媒質に基づく第2のレーザーパルスの隣り合う周波数成分の間隔が周波数領域の光非線形効果である4光波混合によって同一に同期し、マスタレーザーパルスによりレーザー媒質内で時間的な屈折率変化を起こさせ、スレーブレーザーが遅れたときには群速度が速くなり、スレーブレーザーが進んでいるときには群速度が遅くなるように屈折率変化を起こさせることを特徴とする。
(4)上記(1)記載のモード同期パルスレーザーの時間同期装置において、第1のレーザー媒質をチタンサファイアとし、第2のレーザー媒質をクロムフォルステライトとしたことを特徴とする。
(5)上記(1)記載のモード同期パルスレーザーの時間同期装置において、第1のレーザー媒質をチタンサファイアとし、第2のレーザー媒質をクロム4価ドープヤグとしたことを特徴とする。
【0010】
(6)任意波形生成装置において、上記(1)乃至(5)のいずれか1項記載のモード同期パルスレーザーの時間同期装置と少なくとも非線形光学結晶とハーフミラーとからなり、前記時間同期装置が出力するそれぞれ異なる光周波数ω1となる波長1と光周波数ω2となる波長2のレーザーパルスを前記非線形光学結晶を介して光周波数ω1に光周波数ω2を加えた光周波数ω3の和周波光と光周波数ω1から光周波数ω2を引いた光周波数ω4の差周波光として出力し、前記波長1の光を前記非線形光学結晶を介して波長1の半分の波長5となる光周波数2ω1の光として出力し、前記波長2の光を前記非線形光学結晶を介して波長2の半分の波長6となる光周波数2ω2の光として出力し、前記波長1および波長2の光はそのまま出力するようにしたことを特徴とする
【0011】
(7)上記(6)記載の任意波形生成装置において、上記光周波数ω1となるレーザーパルスの波長1を850nm、上記光周波数ω2となるレーザーパルスの波長2を1275nm、上記和周波光の上記波長3を510nmとしたことを特徴とする。
(8)上記(6)記載の任意波形生成装置において、前記波長1乃至6のレーザーパルスの内の任意数の異なる波長のレーザーパルスを合成して出力することを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図1は2波長同期レーザーの比較特性図である。
【0013】
図1の左図は、従来の2波長同期レーザーの特性を示す。この図において、縦軸は光のエネルギー値、横軸は無次元。すなわち、ω1およびω2はチタンサファイア内のある波長、例えば800nmの波長のマスターレーザーの繰り返し周波数の間隔離れた光周波数成分、ω3およびω4はチタンサファイア内の他の波長、例えば850nmの波長のレーザー光の繰り返し周波数の間隔離れた光周波数成分。前記800nmおよび850nmのパルスは、レーザー媒質がチタンサファイア結晶であることから、非線形媒質(チタンサファイア結晶)内のゲイン帯域にエネルギー値を有し、ω1とω2およびω3とω4のエネルギー差は△ωとして一定の値をとる。
【0014】
このため、従来の2波長同期レーザーは、それぞれのパルスは非線形媒質(チタンサファイア結晶)内のゲイン帯域にエネルギー値を有する波長のレーザー光とする必要があったため、1つのレーザー媒質の結晶の特性に拘束されることになる。
これに対し、本発明は2波長同期レーザーの使用レーザー光の波長を1つのレーザー媒質の結晶の特性に拘束されることなく、離れた波長とする点に特徴を有する。
【0015】
図1の右図は本発明の2波長同期レーザーの特性図である。この図において、縦軸は光のエネルギー値、横軸は無次元。すなわち、ω1およびω2はチタンサファイア内のある波長、例えば850nmの波長のレーザー光の繰り返し周波数の間隔離れた光周波数成分、ω3およびω4はチタンサファイア内の他の波長、例えば1275nmの波長のレーザー光の繰り返し周波数の間隔離れた光周波数成分である。前記850nmのパルスは、レーザー媒質がチタンサファイア結晶であることから、非線形媒質(チタンサファイア結晶)内のゲイン帯域にエネルギー値を有するが、前記1275nmのパルスは、非線形媒質(チタンサファイア結晶)内のゲイン帯域にエネルギー値を有しない。これにより、マスターレーザー側のω1とω2のエネルギー値が含まれる非線形媒質(チタンサファイア結晶)内のゲイン帯域外にスレーブレーザーのω3とω4のエネルギー値をとれるようにω3とω4を含むレーザー光の波長を選択することが可能となる、すなわち先の非線形媒質(チタンサファイア結晶)と異なる媒質を用いることが可能となる。ω1とω2およびω3とω4のエネルギー差は△ωとして一定の値をとる。
【0016】
この結果、本発明は、従来の2波長同期レーザーがそれぞれのパルスは非線形媒質(チタンサファイア結晶)内のゲイン帯域にエネルギー値を有する波長のレーザー光とする必要があった欠点を解消し、1つのレーザー媒質の結晶の特性に拘束されることなく2波長を選択することができるようになる。それゆえ、従来の2波長同期レーザーでは4光波混合は実レベル遷移を用いているが本発明ではスレーブレーザー側の波長については非共鳴の遷移を用いることができる。従ってゲインの競合は起こらなくなる。
【0017】
図2は2波長パルスレーザーの時間同期装置を示す。この装置は二つのレーザー媒質とそれぞれの励起光、プリズム、鏡から構成される。一つ目のレーザー媒質であるチタンサファイア結晶はアルゴンレーザー又はNdドープレーザーの2倍波の緑色光により励起され、鏡(M1、M2、M8)とアウトプットカプラ(OC1)、プリズム(P1、P2)により共振器が構成されている。この共振器からは中心波長850nm、パルス幅20fsのパルスが約75MHzの繰り返しで発生する。鏡(M8)はピエゾ素子に固定されていて外部電圧により共振器長を調整できるようになっている。
【0018】
二つ目のレーザー媒質であるクロムフォルステライト結晶はNd:YVOレーザー(波長1064nm)により励起され、鏡(M3、M4、M5、M6、M7)とアウトプットカプラ(OC2)、プリズム(P3、P4)、半導体過飽和吸収鏡(SESAM)により共振器が構成されている。この共振器からは中心波長1275nm、パルス幅40fsのパルスが発生する。
【0019】
クロムフォルステライトレーザーの発振光は自らの共振器内でチタンサファイア結晶を透過し、その中でチタンサファイアレーザーの発振光と重なり相互作用を起こす。チタンサファイア結晶内ではチタンサファイアレーザーの光周波数とクロムフォルステライトレーザーの光周波数との4光波混合が起こり、二つのパルスは時間同期を起こすように働く。
【0020】
図1の右図に示すように、本発明が従来の2波長チタンサファイアレーザーと異なる点は、クロムフォルステライトレーザーのレーザー光のエネルギー値がチタンサファイア結晶のゲイン帯域に入らないため、クロムフォルステライトレーザーにとってチタンサファイアレーザーはゲイン媒質ではなくなる、つまり透明物質であるチタンサファイア結晶で4光波混合が起こり受動的な時間タイミング同期が起こる点である。この方式ができると大きく離れた波長のパルス間の同期ができ、ゲインの競合もなくなる。
【0021】
(上記の時間同期の仕組み)
周波数領域と時間領域でのそれぞれの説明をする。
チタンサファイアレーザーをマスターレーザー、クロムフォルステライトレーザーをスレーブレーザーとする。マスターレーザーはカーレンズモード同期により自ら超短パルスを発生させる。チタンサファイア結晶内にクロムフォルステライトレーザーが入射すると図3に示すような4光波混合を起こす。マスターレーザーの光周波数成分ω1とω2、スレーブレーザーの光周波数成分ω3から4光波混合により新たにω4の光周波数が発生する。
【0022】
このとき、ω1−ω2=ω4−ω3となる。ω1−ω2はマスターレーザーの繰り返し周波数、ω4−ω3はスレーブレーザーの繰り返し周波数に対応するためスレーブレーザーの繰り返し周波数はマスターレーザーの繰り返し周波数に引き込まれることになる。4光波混合によるω4の発生はマスターレーザーからスレーブレーザーへとエネルギーの移譲が起こったと解釈できる。つまりスレーブレーザーにとって透明物質であるチタンサファイア結晶で繰り返し周波数がマスターレーザーに一致したときにゲインが増えることになる。
【0023】
(光波混合)
ω1,ω2はチタンサファイアレーザーのある縦モードの周波数。ω3,ω4はクロムフォルステライトレーザーの縦モードの周波数である。実際にはそれぞれ多数の縦モードを含む。チタンサファイアレーザーの縦モード間隔ω1−ω2はΔωに相当し、クロムフォルステライトレーザーのある縦モードω3からΔωだけ離れた縦モードω4が生成される。これによりクロムフォルステライトレーザーの縦モード間隔もチタンサファイアレーザーのそれと同じ値になる。つまり、繰り返し周波数f=2πΔωが同期される。
【0024】
(時間領域)
図4は、本発明の時間領域でのタイミング同期動作を説明する図である。
マスターレーザーのパルスがスレーブレーザーのパルスに比べて進んでいると仮定する。マスターレーザーパルスの強度によってチタンサファイア結晶内では屈折率変化が起こる。結晶内の屈折率はパルスの波高値が高いほど大きくなる。この時間的な屈折率変化によってマスターレーザーパルスの立ち上がりではスペクトルの赤方変位、立ち下がりでは青方変位が起こる。スレーブレーザーパルスはマスターパルスの立ち下がりのところに位置しているためスペクトルの青方変位を受ける。レーザー共振器全体の群速度分散はマイナスに設定されているので青方変位を受けたパルスは共振器を一周する時間が短くなる。従って、スレーブレーザーパルスはマスターレーザーパルスに追いつくように働く。
【0025】
マスターレーザーパルスがスレーブレーザーパルスに比べて遅れているときには上記と逆の効果が起こるため、スレーブレーザーの周回時間は長くなり、やはり、レーザーパルスが近づくように働く。従って、二つのレーザーパルスは同期する。
(時間領域でのタイミング同期)
チタンサファイア結晶中をマスターレーザーパルスとスレーブレーザーパルスがともに左に進んでいる。このとき、仮にマスターレーザーパルスが先に進んでいるとする。
【0026】
マスターレーザーパルスの立ち下がり部分にスレーブレーザーパルスは重なる。このときスレーブレーザーパルスのスペクトルは青方変位を受ける。スペクトル全体が青方変位を受けると、共振器を一周するのにかかる時間が短くなり次に空間的に再び重なったときにはより時間的に重なりが大きくなる。スレーブレーザーパルスがマスターレーザーパルスを追い越してしまうと今度は赤方変位を受け、一周するのにかかる時間が長くなる。このようにしてパルス同士が重なり続けることになる。
【0027】
お互いの共振器長が大きく離れているときにはそれぞれの共振器長による繰り返し周波数でレーザーが動作する。ピエゾにより共振器長を変化させていき、引き込みが起こる範囲にはいるとスレーブレーザーの繰り返し周波数はマスターレーザーに引き込まれ、完全に一致する。図5,6にマスターレーザーのパルストレインとスレーブレーザーのパルストレインを同時にとったオシロスコープの写真を示す。図5はそれぞれの共振器長が大きく離れているときのもので、マスターレーザーのパルストレインでトリガーをかけるとスレーブレーザーのパルストレインは同期していないため流れてしまっている様子が分かる。ピエゾにより共振器長を近づけると図6のようにお互いのパルスが同期する。共振器長の変化に対するそれぞれの繰り返し周波数の差をプロットしたものが図7である。ある範囲で繰り返し周波数の差が0になっていることがわかる。
【0028】
図6は、本発明の同期状態を示す測定図であり、オシロスコープでマスターレーザーパルス列とスレーブレーザーパルス列を同時に観測した結果である。図5は共振器長のずれが大きい例である。図5において、上段はマスターレーザーパルス、下段はスレーブレーザーパルスである。マスターレーザーパルスでトリガーをかけるとスレーブレーザーパルスは同期していないため流れてしまう。図6は共振器長を調整した結果同期が起きた場合の例を示す。
【0029】
図7は、本発明の同期特性説明図である。
図7において、横軸はマスターレーザーの共振器長の変化Displacement(μm)、縦軸はマスターレーザーとスレーブレーザーの繰り返し周波数の差△fRT(Hz)を示す。図7において、マスターレーザーの共振器長を変化させたとき、約1μmの範囲でスレーブレーザーの繰り返し周波数はマスターレーザーの繰り返し周波数に一致する。つまり同期する。
【0030】
次に本発明の他の実施例を説明する。
図8は、本発明の他の実施例の和周波光発生装置の概略図である。
和周波光発生装置は、前記実施例1で説明した2波長パルスレーザーの時間同期装置を用い、この2波長パルスレーザーの時間同期装置から波長1(ω1)と波長2(ω2)のパルスを発生し、両パルスをレンズおよび非線形光学結晶を介して和周波光(光周波数:ω3=ω1+ω2)を出力する。
【0031】
和周波光発生装置は、本実験ではマスターとしてチタンサファイアレーザー、スレーブにクロムフォルステライトレーザーを使用しているが、スレーブレーザーの波長範囲がマスターレーザーのゲイン媒質に対して透明であればどのような組み合わせのレーザー同士でも成り立つ。
また、図8に示すとおり大きく離れた2波長のパルスが同期して出力されるため2波長のパルスの和周波光混合が容易に実現される。チタンサファイアレーザーとクロムフォルステライトレーザーを用いた場合、和周波光の波長は510nm付近であり、緑色のフェムト秒光源となる。また、チタンサファイアレーザーの第二高調波は青であり(波長425nm)、クロムフォルステライトレーザーの第二高調波は赤である(波長637nm)。従って本装置からフェムト秒の赤、緑、青の三原色を同時に発生させることができ、照明装置、描画装置(プロジェクターなど)への応用が期待される。また、理化学実験用光源としても安定な緑色のフェムト秒光源として利用価値が高い。
【0032】
図8において、波長1(光周波数;ω1)と波長2(光周波数;ω2)の光をそれぞれ非線形光学結晶を介して1/2波長、即ち、波長5(光周波数:ω5=ω1×2)、波長6(光周波数:ω6=ω2×2)の光を出力し、非線形光学結晶を介して波長3(光周波数;ω3=ω1+ω2)の和周波光、波長4(光周波数;ω4=ω1−ω2)の差周波光を出力し、前記波長1(光周波数;ω1)と波長2(光周波数;ω2)の光を出力するようにすると、6種類の波長の光を作れる。これらの波長の光を適宜合成すると任意の波形の光電場を作成することができる。図8の装置は、和周波光と同時に差周波光も発生している。
【0033】
図8の装置において、たとえば波長1を1275nm、波長2を850nmとすると、510nmの和周波光が発生する。同時に波長1の第二高調波(波長637nm)と波長2の第二高調波(波長425nm)を発生させるとRGBの三原色の時間同期したフェムト秒光源を一つの装置より発生させることができる。
【0034】
【発明の効果】
本発明は、請求項1ないし5記載の事項により、第2のレーザー媒質の発振波長を第1のレーザー媒質の結晶では発振できない波長とし、発振波長が大きく離れたレーザーパルスの同期をとることができるようになる。
【0035】
本発明の2波長パルスレーザーの時間同期装置はレーザー媒質を二つ用いてそれぞれの波長のパルスを発生させ受動同期させることによりきわめてタイミングジッターの少ない異なる2波長のパルスを発生させることができる。また、タイミング同期を起こすレーザー媒質は片方のパルスにとって透明物質であるためゲインの競合がない。従ってより安定なタイミング同期が起こる。
本発明は、請求項6または8記載の事項により、光電場の任意波形生成装置を作ることができる。
本発明は、請求項7記載の事項により、画像色表示用のRGB信号を簡単に作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】2波長同期レーザーの比較特性図である。
【図2】本発明の実施例の同期装置を示す図である。
【図3】本発明の4光波混合の説明図である。
【図4】本発明の時間領域でのタイミング同期動作を説明する図である。
【図5】非同期状態を示す測定図である。
【図6】本発明の同期状態を示す測定図である。
【図7】本発明の同期特性説明図である。
【図8】本発明の他の実施例の和周波光発生装置の概略図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a femtosecond pulse laser generator widely used as an ultrashort pulse light source in the fields of communication, medicine, and science and technology, and more particularly, to a synchronous control device thereof and an arbitrary waveform generator using the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there are the following two typical techniques for synchronous control of femtosecond pulse lasers.
The first is synchronous control of independent ultrashort pulse lasers of different wavelengths, the pulse interval of each laser is detected by an electric circuit, such as a counter, and the deviation is a piezoelectric that drives a mirror of one resonator length. This is a method performed by feeding back to the element. In this method, the timing jitter is determined by the resolution of the electric circuit such as the counter and the resolution of the piezoelectric element, and this timing jitter is in the order of picoseconds (1 picosecond = 10 ^ -12 seconds) at the product level (reference [1] : Spectra Physics General Catalog '00 -'01, p18, lok-to-clock), on the order of 10 to 20 femtoseconds at the research level (reference [2]: RK Shelton, et Al., International Conference CLEO2001, CTuG2).
[0003]
The second method is to make two resonators for one laser medium. As for the laser medium to be used, a titanium sapphire laser can be used to extract two-wavelength pulses synchronized in time (reference document [3]: S. J. White, et. Al., International Conference CLEO2000, CThB5, ref. [4]: J. M. Evans, et. Al., Opt. Lett. 18, 1074 (1993), ref. [5]: A. Leitentorfer, et.al., Opt. , 916 (1995), reference [6]: MR X. de Barros et. Al., Opt. Lett. 18, 631 (1993), reference [7]: DR Dykaar, et. al., Opt Lett. 18, 634 (1993)).
[0004]
In the above case, it is considered that two laser pulses cause four-wave mixing in the laser crystal to cause pulse timing synchronization.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the two-wavelength timing-synchronized laser using the second titanium sapphire laser has a single laser medium, and is therefore limited to two adjacent wavelengths because of the characteristics of the laser medium. Moreover, since the titanium sapphire crystal is the gain medium for both pulses, gain competition occurs and the pulse is rather unstable in a situation where the pulses overlap well.
For this reason, it has become difficult to synchronize two pulse lasers having different wavelengths with a two-wavelength timing synchronous laser using a titanium sapphire laser.
[0006]
Further, in the method using the first electric circuit or the like, the influence of the timing jitter is too great, and the synchronous control of the femtosecond pulse laser cannot be performed accurately.
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a pulse laser time synchronization apparatus capable of synchronizing timing between two ultrashort pulse lasers having different wavelengths and an arbitrary waveform generation apparatus using the same. For the purpose.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means to achieve the above object.
(1) In a time-synchronizing device for a mode-locked pulse laser, the group velocity dispersion of the entire laser resonator is set to a negative value, a first laser medium having a first gain band made of a third-order nonlinear optical medium, and 3 A second laser medium comprising a second nonlinear optical medium and having a second gain band not included in the first gain band; and a first and a second laser medium separately provided with the first and second laser media, respectively. The two resonators are arranged so that both laser pulses are spatially overlapped in one laser medium so as to influence each other's light propagation through the third-order nonlinear effect, The oscillation wavelength of the second laser medium is a wavelength that cannot be oscillated by the crystal of the first laser medium.
[0008]
(2) In the time-synchronized apparatus for mode-locked pulse laser as described in (1) above, the refractive index characteristic of one laser medium arranged so that both laser pulses overlap each other is optical nonlinearity in the time domain of the preceding laser pulse. Propagation of the other laser pulse following the preceding one laser pulse by changing the red displacement or the blue displacement characteristic by the nonlinear refraction effect which is the effect, transmitting the other laser pulse following to the laser medium. It is characterized in that the speed is changed and the timing is synchronized.
[0009]
(3) In the mode-locked pulse laser time synchronization apparatus according to (1), the interval between adjacent frequency components of the first laser pulse based on the first laser medium and the second based on the second laser medium. The interval between adjacent frequency components of the laser pulse is synchronized by four-wave mixing, which is an optical nonlinear effect in the frequency domain, and the master laser pulse causes a temporal refractive index change in the laser medium, and the slave laser is delayed. In this case, the refractive index is changed so that the group speed is increased when the slave laser is advanced, and the group speed is decreased when the slave laser is advanced.
(4) The mode-locked pulse laser time synchronization apparatus according to the above (1) is characterized in that the first laser medium is titanium sapphire and the second laser medium is chromium forsterite.
(5) The mode-locked pulse laser time synchronization apparatus according to the above (1) is characterized in that the first laser medium is titanium sapphire and the second laser medium is chromium tetravalent doped yag.
[0010]
(6) The arbitrary waveform generation device includes the time synchronization device of the mode-locked pulse laser according to any one of (1) to (5), at least a nonlinear optical crystal, and a half mirror, and the time synchronization device outputs sum frequency light and the optical frequency ω1 of the optical frequency ω3 plus an optical frequency ω2 to the optical frequency ω1 and the laser pulses of different the optical frequency ω1 wavelength 1 and the wavelength 2 to be an optical frequency ω2 through the nonlinear optical crystal, respectively to Output as the difference frequency light of the optical frequency ω4 obtained by subtracting the optical frequency ω2 from the light , and output the light of the wavelength 1 as the light of the optical frequency 2ω1 having the wavelength 5 which is half of the wavelength 1 through the nonlinear optical crystal, output as the light of the light frequency 2ω2 to be half the wavelength 6 of the wavelength 2 light wavelength 2 through the nonlinear optical crystal, the light of the wavelength 1 and the wavelength 2 is output as it Is characterized in that the [0011]
(7) above (6) in the arbitrary waveform generator according, 850 nm wavelength 1 of the laser pulse to be the optical frequency .omega.1, the wavelength 2 of the laser pulse to be the optical frequency .omega.2 1275 nm, the wavelength of the sum frequency light 3 is 510 nm.
(8) The arbitrary waveform generation device according to (6), wherein laser pulses having an arbitrary number of different wavelengths among the laser pulses having wavelengths 1 to 6 are synthesized and output.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a comparative characteristic diagram of a two-wavelength synchronous laser.
[0013]
The left figure of FIG. 1 shows the characteristics of a conventional two-wavelength synchronous laser. In this figure, the vertical axis is the light energy value, and the horizontal axis is dimensionless. That is, ω1 and ω2 are optical frequency components separated by a repetition frequency of a master laser having a wavelength of, for example, 800 nm in titanium sapphire, and ω3 and ω4 are laser light having another wavelength in titanium sapphire, for example, a wavelength of 850 nm. Optical frequency components separated by a repetition frequency of. Since the laser medium is a titanium sapphire crystal, the pulses of 800 nm and 850 nm have energy values in the gain band in the nonlinear medium (titanium sapphire crystal), and the energy difference between ω1 and ω2 and ω3 and ω4 is Δω. As a constant value.
[0014]
For this reason, in the conventional two-wavelength synchronous laser, each pulse needs to be a laser beam having a wavelength having an energy value in the gain band in the nonlinear medium (titanium sapphire crystal). Will be restrained.
On the other hand, the present invention is characterized in that the wavelength of the laser light used by the two-wavelength synchronous laser is set to a remote wavelength without being restricted by the crystal characteristics of one laser medium.
[0015]
The right figure of FIG. 1 is a characteristic diagram of the dual wavelength synchronous laser of the present invention. In this figure, the vertical axis is the light energy value, and the horizontal axis is dimensionless. That is, ω1 and ω2 are optical frequency components separated from each other by a repetition frequency of laser light having a wavelength in titanium sapphire, for example, 850 nm, and ω3 and ω4 are laser light having another wavelength in titanium sapphire, for example, wavelength of 1275 nm. These are optical frequency components separated by a repetition frequency. Since the laser medium is a titanium sapphire crystal, the 850 nm pulse has an energy value in the gain band in the nonlinear medium (titanium sapphire crystal), but the 1275 nm pulse is in the nonlinear medium (titanium sapphire crystal). It has no energy value in the gain band. As a result, the laser beam including ω3 and ω4 can be obtained so that the energy values of ω3 and ω4 of the slave laser can be taken outside the gain band in the nonlinear medium (titanium sapphire crystal) including the energy values of ω1 and ω2 on the master laser side. The wavelength can be selected, that is, a medium different from the above nonlinear medium (titanium sapphire crystal) can be used. The energy difference between ω1 and ω2 and between ω3 and ω4 takes a constant value as Δω.
[0016]
As a result, the present invention eliminates the disadvantage that the conventional two-wavelength synchronous laser needs to make each pulse a laser beam having an energy value in the gain band in the nonlinear medium (titanium sapphire crystal). Two wavelengths can be selected without being restricted by the crystal characteristics of the two laser media. Therefore, in the conventional two-wavelength synchronous laser, four-wave mixing uses an actual level transition, but in the present invention, a non-resonant transition can be used for the wavelength on the slave laser side. Therefore, no gain competition occurs.
[0017]
FIG. 2 shows a two-wavelength pulsed laser time synchronizer. This device consists of two laser media and their respective excitation light, prism and mirror. The first laser medium, titanium sapphire crystal, is excited by the second harmonic green light of an argon laser or an Nd-doped laser, and includes a mirror (M1, M2, M8), an output coupler (OC1), a prism (P1, P2). ) Constitutes a resonator. From this resonator, a pulse having a center wavelength of 850 nm and a pulse width of 20 fs is repeatedly generated at about 75 MHz. The mirror (M8) is fixed to the piezo element so that the resonator length can be adjusted by an external voltage.
[0018]
The chrome forsterite crystal, which is the second laser medium, is excited by an Nd: YVO 4 laser (wavelength 1064 nm), a mirror (M3, M4, M5, M6, M7), an output coupler (OC2), a prism (P3, P4), a resonator is constituted by a semiconductor saturable absorption mirror (SESAM). This resonator generates a pulse having a center wavelength of 1275 nm and a pulse width of 40 fs.
[0019]
The oscillating light of the chrome forsterite laser passes through the titanium sapphire crystal in its own resonator, and overlaps with the oscillating light of the titanium sapphire laser to cause interaction. Within the titanium sapphire crystal, four-wave mixing of the optical frequency of the titanium sapphire laser and the optical frequency of the chromium forsterite laser occurs, and the two pulses work to cause time synchronization.
[0020]
As shown in the right diagram of FIG. 1, the present invention differs from the conventional two-wavelength titanium sapphire laser in that the energy value of the laser light of the chrome forsterite laser does not fall within the gain band of the titanium sapphire crystal. For a laser, the titanium sapphire laser is no longer a gain medium, that is, a four-wave mixing occurs in a titanium sapphire crystal, which is a transparent material, and passive time timing synchronization occurs. If this method is possible, synchronization between pulses of wavelengths that are far apart can be achieved, and there is no competition for gain.
[0021]
(The above time synchronization mechanism)
Each explanation in the frequency domain and the time domain will be given.
The titanium sapphire laser is the master laser and the chrome forsterite laser is the slave laser. The master laser generates ultrashort pulses by synchronizing with the car lens mode. When a chromium forsterite laser is incident on a titanium sapphire crystal, four-wave mixing as shown in FIG. 3 occurs. An optical frequency of ω4 is newly generated from the optical frequency components ω1 and ω2 of the master laser and the optical frequency component ω3 of the slave laser by four-wave mixing.
[0022]
At this time, ω1−ω2 = ω4−ω3. Since ω1-ω2 corresponds to the repetition frequency of the master laser and ω4-ω3 corresponds to the repetition frequency of the slave laser, the repetition frequency of the slave laser is drawn into the repetition frequency of the master laser. The generation of ω4 by four-wave mixing can be interpreted as the transfer of energy from the master laser to the slave laser. In other words, the gain increases when the repetition frequency of the titanium sapphire crystal, which is a transparent material for the slave laser, matches that of the master laser.
[0023]
(Light wave mixing)
ω1 and ω2 are longitudinal mode frequencies of the titanium sapphire laser. ω3 and ω4 are longitudinal mode frequencies of the chrome forsterite laser. In practice, each includes a number of longitudinal modes. The longitudinal mode interval ω1-ω2 of the titanium sapphire laser corresponds to Δω, and a longitudinal mode ω4 that is separated from the longitudinal mode ω3 of the chromium forsterite laser by Δω is generated. As a result, the longitudinal mode interval of the chrome forsterite laser becomes the same value as that of the titanium sapphire laser. That is, the repetition frequency f = 2πΔω is synchronized.
[0024]
(Time domain)
FIG. 4 is a diagram for explaining the timing synchronization operation in the time domain of the present invention.
Assume that the master laser pulse is ahead of the slave laser pulse. The refractive index changes in the titanium sapphire crystal depending on the intensity of the master laser pulse. The refractive index in the crystal increases as the pulse peak value increases. This temporal refractive index change causes a red displacement of the spectrum at the rising edge of the master laser pulse and a blue displacement at the falling edge. Since the slave laser pulse is located at the trailing edge of the master pulse, it receives a blue displacement of the spectrum. Since the group velocity dispersion of the entire laser resonator is set to a minus value, a pulse that has received a blue displacement shortens the time required to go around the resonator. Therefore, the slave laser pulse works to catch up with the master laser pulse.
[0025]
When the master laser pulse is delayed compared to the slave laser pulse, the opposite effect occurs, so that the circulation time of the slave laser becomes longer, and the laser pulse also works so as to approach. Thus, the two laser pulses are synchronized.
(Timing synchronization in the time domain)
Both the master laser pulse and the slave laser pulse are moving to the left in the titanium sapphire crystal. At this time, it is assumed that the master laser pulse has advanced first.
[0026]
The slave laser pulse overlaps the falling edge of the master laser pulse. At this time, the spectrum of the slave laser pulse undergoes blue displacement. When the entire spectrum is subjected to a blue displacement, the time taken to make one round of the resonator is shortened, and the overlap becomes larger in time when it is next spatially overlapped again. If the slave laser pulse overtakes the master laser pulse, the slave laser pulse is now subjected to a red displacement, and the time taken to make a round becomes longer. In this way, pulses continue to overlap.
[0027]
When the resonator lengths are far away from each other, the laser operates at a repetition frequency according to each resonator length. When the resonator length is changed by piezo and enters the range where the pull-in occurs, the repetition frequency of the slave laser is pulled into the master laser and perfectly matches. 5 and 6 show photographs of an oscilloscope in which the master laser pulse train and the slave laser pulse train were taken simultaneously. FIG. 5 shows the case where the resonator lengths are greatly separated. When the trigger is applied with the pulse train of the master laser, it can be seen that the pulse train of the slave laser flows because it is not synchronized. When the resonator length is made closer by piezo, the pulses are synchronized as shown in FIG. FIG. 7 is a plot of the difference of each repetition frequency with respect to the change in the resonator length. It can be seen that the difference in the repetition frequency is zero within a certain range.
[0028]
FIG. 6 is a measurement diagram showing the synchronization state of the present invention, which is the result of observing the master laser pulse train and the slave laser pulse train simultaneously with an oscilloscope. FIG. 5 shows an example in which the deviation of the resonator length is large. In FIG. 5, the upper stage is a master laser pulse, and the lower stage is a slave laser pulse. When triggered by the master laser pulse, the slave laser pulse flows because it is not synchronized. FIG. 6 shows an example in which synchronization occurs as a result of adjusting the resonator length.
[0029]
FIG. 7 is an explanatory diagram of the synchronization characteristics of the present invention.
In FIG. 7, the horizontal axis represents the change (μm) in the resonator length of the master laser, and the vertical axis represents the difference Δf RT (Hz) between the repetition frequencies of the master laser and the slave laser. In FIG. 7, when the resonator length of the master laser is changed, the repetition frequency of the slave laser matches the repetition frequency of the master laser in the range of about 1 μm. In other words, synchronize.
[0030]
Next, another embodiment of the present invention will be described.
FIG. 8 is a schematic diagram of a sum frequency light generator according to another embodiment of the present invention.
The sum frequency light generator uses the two-wavelength pulse laser time synchronization device described in the first embodiment, and generates a pulse of wavelength 1 (ω1) and wavelength 2 (ω2) from the time synchronization device of the two-wavelength pulse laser. Then, both pulses are output as sum frequency light (optical frequency: ω3 = ω1 + ω2) through the lens and the nonlinear optical crystal.
[0031]
In this experiment, the sum frequency light generator uses a titanium sapphire laser as the master and a chrome forsterite laser as the slave, but what if the wavelength range of the slave laser is transparent to the gain medium of the master laser? This can be achieved by combining lasers.
Also, as shown in FIG. 8, two-wavelength pulses that are significantly separated from each other are output in synchronization, so that the sum-frequency light mixing of the two-wavelength pulses can be easily realized. When a titanium sapphire laser and a chrome forsterite laser are used, the wavelength of the sum frequency light is around 510 nm, which becomes a green femtosecond light source. The second harmonic of the titanium sapphire laser is blue (wavelength 425 nm), and the second harmonic of the chrome forsterite laser is red (wavelength 637 nm). Therefore, femtosecond red, green, and blue primary colors can be generated simultaneously from this apparatus, and application to lighting apparatuses and drawing apparatuses (projectors, etc.) is expected. In addition, it is highly useful as a stable green femtosecond light source as a light source for physics and chemistry experiments.
[0032]
In FIG. 8, light of wavelength 1 (optical frequency; ω1) and wavelength 2 (optical frequency; ω2) is ½ wavelength through the nonlinear optical crystal, that is, wavelength 5 (optical frequency: ω5 = ω1 × 2). , Output light of wavelength 6 (optical frequency: ω6 = ω2 × 2), and through a nonlinear optical crystal, sum frequency light of wavelength 3 (optical frequency; ω3 = ω1 + ω2), wavelength 4 (optical frequency; ω4 = ω1− By outputting the difference frequency light of ω2) and outputting the light of wavelength 1 (optical frequency; ω1) and wavelength 2 (optical frequency; ω2), light of six types of wavelengths can be produced. When light of these wavelengths is appropriately combined, a photoelectric field having an arbitrary waveform can be created. The apparatus shown in FIG. 8 generates difference frequency light simultaneously with sum frequency light.
[0033]
In the apparatus of FIG. 8, for example, if wavelength 1 is 1275 nm and wavelength 2 is 850 nm, a sum frequency light of 510 nm is generated. At the same time, when the second harmonic of wavelength 1 (wavelength 637 nm) and the second harmonic of wavelength 2 (wavelength 425 nm) are generated, a femtosecond light source synchronized in time with the three primary colors of RGB can be generated from one apparatus.
[0034]
【The invention's effect】
According to the present invention, according to the first to fifth aspects, the oscillation wavelength of the second laser medium is set to a wavelength that cannot be oscillated by the crystal of the first laser medium, and the laser pulses whose oscillation wavelengths are greatly separated can be synchronized. become able to.
[0035]
The two-wavelength pulse laser time synchronization apparatus of the present invention can generate pulses of two different wavelengths with very little timing jitter by generating pulses of each wavelength using two laser media and passively synchronizing them. Further, since the laser medium that causes timing synchronization is a transparent material for one pulse, there is no gain competition. Therefore, more stable timing synchronization occurs.
According to the present invention, an arbitrary waveform generating device for a photoelectric field can be made according to the matters described in the sixth or eighth aspect.
According to the present invention, an RGB signal for image color display can be easily created.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a comparative characteristic diagram of a two-wavelength synchronous laser.
FIG. 2 is a diagram illustrating a synchronization device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of four-wave mixing according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a timing synchronization operation in the time domain according to the present invention.
FIG. 5 is a measurement diagram showing an asynchronous state.
FIG. 6 is a measurement diagram showing a synchronization state of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram of synchronization characteristics of the present invention.
FIG. 8 is a schematic view of a sum frequency light generator according to another embodiment of the present invention.

Claims (8)

レーザー共振器全体の群速度分散をマイナスに設定し、3次の非線形光学媒質からなり第1のゲイン帯域を有する第1のレーザー媒質と、3次の非線形光学媒質からなり前記第1のゲイン帯域に含まれない第2のゲイン帯域を有する第2のレーザー媒質と、前記第1と第2のレーザー媒質をそれぞれ個別に備えた第1および第2の共振器とからなり、両共振器を一方のレーザー媒質中で両レーザーパルスが空間的に重なって3次光非線形効果を介して互いの光伝搬に影響を及ぼし合うように配置するとともに、前記第2のレーザー媒質の発振波長を第1のレーザー媒質の結晶では発振できない波長としたことを特徴とするモード同期パルスレーザーの時間同期装置。 The group velocity dispersion of the entire laser resonator is set to a negative value, and the first gain band is composed of a first laser medium having a first gain band made of a third-order nonlinear optical medium and a third-order nonlinear optical medium. Comprising a second laser medium having a second gain band not included in the first and second resonators each having the first and second laser mediums individually. In the laser medium, the two laser pulses are spatially overlapped so as to influence each other's light propagation via the third-order nonlinear effect, and the oscillation wavelength of the second laser medium is set to the first wavelength. A mode-locked pulse laser time-synchronizing device characterized by a wavelength that cannot be oscillated by a crystal of a laser medium. 請求項1記載のモード同期パルスレーザーの時間同期装置において、両レーザーパルスが重なるように配置した一方のレーザー媒質の屈折率特性を、先行する一方のレーザーパルスの時間領域の光非線形効果である非線形屈折効果によって赤方変位または青方変位特性に変化させ、後行する他方のレーザーパルスを前記レーザー媒質に透過させ、先行する一方のレーザーパルスに後行する他方のレーザーパルスの伝搬速度が変化してタイミングが同期するように作用させることを特徴とするモード同期パルスレーザーの時間同期装置。  2. A time synchronization apparatus for a mode-locked pulse laser according to claim 1, wherein the refractive index characteristic of one laser medium arranged so that both laser pulses overlap each other is a non-linear effect that is an optical nonlinear effect in the time domain of the preceding one laser pulse. By changing the red displacement or blue displacement characteristics due to the refraction effect, the other laser pulse that follows is transmitted through the laser medium, and the propagation speed of the other laser pulse that follows the preceding laser pulse changes. A time synchronization device for a mode-locked pulse laser, wherein the timing is synchronized with each other. 請求項1記載のモード同期パルスレーザーの時間同期装置において、前記第1のレーザー媒質に基づく第1のレーザーパルスの隣り合う周波数成分の間隔と前記第2のレーザー媒質に基づく第2のレーザーパルスの隣り合う周波数成分の間隔が周波数領域の光非線形効果である4光波混合によって同一に同期し、マスタレーザーパルスによりレーザー媒質内で時間的な屈折率変化を起こさせ、スレーブレーザーが遅れたときには群速度が速くなり、スレーブレーザーが進んでいるときには群速度が遅くなるように屈折率変化を起こさせることを特徴とする特徴とするモード同期パルスレーザーの時間同期装置。  2. The time synchronization apparatus for a mode-locked pulse laser according to claim 1, wherein an interval between adjacent frequency components of the first laser pulse based on the first laser medium and a second laser pulse based on the second laser medium. The interval between adjacent frequency components is synchronized by four-wave mixing, which is an optical nonlinear effect in the frequency domain. The master laser pulse causes a temporal refractive index change in the laser medium, and the group velocity when the slave laser is delayed. A time-synchronizing device for a mode-locked pulse laser, characterized in that the refractive index change is caused so that the group velocity becomes slower when the laser beam is faster and the slave laser is advanced. 請求項1記載のモード同期パルスレーザーの時間同期装置において、第1のレーザー媒質をチタンサファイアとし、第2のレーザー媒質をクロムフォルステライトとしたことを特徴とするモード同期パルスレーザーの時間同期装置。  2. A time synchronization apparatus for a mode-locked pulse laser according to claim 1, wherein the first laser medium is titanium sapphire and the second laser medium is chromium forsterite. 請求項1記載のモード同期パルスレーザーの時間同期装置において、第1のレーザー媒質をチタンサファイアとし、第2のレーザー媒質をクロム4価ドープヤグとしたことを特徴とするモード同期パルスレーザーの時間同期装置。  2. A time synchronization apparatus for a mode-locked pulse laser according to claim 1, wherein the first laser medium is titanium sapphire and the second laser medium is chromium tetravalent doped yag. . 請求項1ないし5のいずれか1項記載のモード同期パルスレーザーの時間同期装置と少なくとも非線形光学結晶とハーフミラーとからなり、前記時間同期装置が出力するそれぞれ異なる光周波数ω1となる波長1と光周波数ω2となる波長2のレーザーパルスを前記非線形光学結晶を介して光周波数ω1に光周波数ω2を加えた光周波数ω3の和周波光と光周波数ω1から光周波数ω2を引いた光周波数ω4の差周波光として出力し、前記波長1の光を前記非線形光学結晶を介して波長1の半分の波長5となる光周波数2ω1の光として出力し、前記波長2の光を前記非線形光学結晶を介して波長2の半分の波長6となる光周波数2ω2の光として出力し、前記波長1および波長2の光はそのまま出力するようにしたことを特徴とする任意波形生成装置。6. A mode-locked pulse laser time synchronizer according to any one of claims 1 to 5, comprising at least a nonlinear optical crystal and a half mirror, and a wavelength 1 and light having different optical frequencies ω1 output from the time synchronizer. difference in optical frequency ω4 laser pulses having a wavelength of 2 to a frequency ω2 minus the optical frequency ω2 from the sum frequency light and the optical frequency ω1 of the optical frequency ω3 plus an optical frequency ω2 to the optical frequency ω1 through the nonlinear optical crystal Output as frequency light, output light of wavelength 1 through the nonlinear optical crystal as light of optical frequency 2ω1, which is half the wavelength 1, and output light of wavelength 2 through the nonlinear optical crystal. arbitrary waveform generator, characterized in that output as the light of the light frequency 2ω2 to be half the wavelength 6 of the wavelength 2, the light of the wavelength 1 and the wavelength 2 is to output as it Location. 請求項6記載の任意波形生成装置において、上記光周波数ω1となるレーザーパルスの波長1を850nm、上記光周波数ω2となるレーザーパルスの波長2を1275nm、上記和周波光の上記波長3を510nmとしたことを特徴とする任意波形生成装置。In arbitrary waveform generator according to claim 6, 850 nm wavelength 1 of the laser pulse to be the optical frequency .omega.1, the wavelength 2 of the laser pulse to be the optical frequency .omega.2 1275 nm, and 510nm the wavelength 3 of the sum frequency light An arbitrary waveform generation device characterized by that. 請求項6記載の任意波形生成装置において、前記波長1乃至6のレーザーパルスの内の任意数の異なる波長のレーザーパルスを合成して出力することを特徴とする任意波形生成装置。  7. The arbitrary waveform generating apparatus according to claim 6, wherein laser pulses having an arbitrary number of different wavelengths among the laser pulses having wavelengths 1 to 6 are synthesized and output.
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