高功率超快激光微纳结构制备-洞察及研究

1/1高功率超快激光微纳结构制备第一部分研究背景与意义 2第二部分高功率超快激光技术原理 5第三部分关键技术与方法 9第四部分微纳结构制造应用领域 15第五部分技术挑战与未来方向 19第六部分总结与展望 23第七部分参考文献 26

第一部分研究背景与意义

High-IntensityUltrafastLaser-BasedMicrostructuredMaterials:ResearchBackgroundandSignificance

#研究背景与意义

微结构材料的制备技术在现代光学工程、精密制造、生物医学、微纳电子和光子ics等领域具有重要应用价值。然而，传统光学制造技术在微米尺度以下的精细加工能力方面存在显著局限，例如显微镜分辨率通常受限于阿贝_limit（约0.2微米），而现代先进制造技术如等离子体化学气相沉积（PCVD）、自组装和激光共聚焦_microstructuring等，虽然在材料表面形成精确图案方面取得了显著进展，但其制备微结构的效率和精度仍无法满足现代科学与工程发展的需求[1]。

高功率超快激光技术的快速发展为微结构材料的制备提供了全新的解决方案。与传统方法相比，高功率超快激光技术具有更高的功率密度、更短的脉冲宽度和更强的聚焦能力，能够实现对材料表面和内部的直接改性，从而实现更精细的微结构制备[2]。例如，利用高功率超快激光进行全息照排、相位调制和光致洞加工等技术，可以实现微米尺度以下的精确微结构图案[3]。

然而，高功率超快激光技术在微结构材料制备过程中仍面临诸多挑战。首先，高功率激光的热效应可能导致材料的快速退火和变形，影响微结构的稳定性和性能[4]。其次，高功率激光在材料表面的高密度能量输入可能导致纳米尺度的物理和化学效应，如热应力、电荷迁移和光致反应等，这些效应可能干扰微结构的形成和性能的发挥[5]。此外，高功率超快激光的精确控制在复杂的多层微结构制备中仍存在技术难题，例如如何实现不同层之间界面的高质量连接以及如何避免层间相互作用对整体性能的影响[6]。

尽管面临诸多技术挑战，高功率超快激光微结构材料的研究具有重要的科学意义和工程应用价值。在科学领域，微结构材料的研究有助于揭示材料性能与结构之间的复杂关系，为开发新型功能材料和功能结构提供了重要手段[7]。在工程应用方面，微结构材料在生物医学、微纳电子、光子ics、能源存储和催化反应等领域展现出广泛的应用潜力。例如，微结构材料可以用于设计新型光学元件、传感器、能量存储装置和高效催化剂等[8]。

综上所述，高功率超快激光微结构材料的研究不仅能够推动光学制造技术的快速发展，还为解决当前科技领域中的关键科学问题和工程挑战提供了重要技术手段。未来，随着高功率超快激光技术的进一步成熟和应用，微结构材料将在更多领域中发挥其关键作用，为人类社会的科技进步和经济发展做出更大贡献。

#参考文献

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高功率超快激光技术原理

高功率超快激光技术是现代微纳结构制造领域的核心技术之一，其原理复杂而精密，涵盖了激光物理、脉冲压缩、能量转换等多个领域。以下从激光器工作原理、脉冲特性、能量转换效率及关键技术等方面对高功率超快激光技术的原理进行详细介绍。

#1.高功率激光器的工作原理

高功率超快激光系统通常由激光振荡器、脉冲压缩器、能量转换器和超快光源组成。其中，激光振荡器是产生高强度激光的核心组件，其关键参数包括脉冲能量、重复频率、脉冲宽度等。以商业上常见的Ti:Sapphire激光器为例，其脉冲能量可达数到数万焦耳，重复频率为Hz级至kHz级。通过调整振荡器的参数，可以实现脉冲能量与重复频率的优化平衡。

脉冲压缩器是将高能量、宽谱带的激光脉冲压缩为极短的超短脉冲的关键技术。传统脉冲压缩方法包括多普勒效应压缩、压缩冲击波法、压缩镜法、相位相同压缩法等。其中，压缩冲击波法利用激光自聚焦效应，将能量集中于压缩区，从而实现高压缩比和高脉冲能量的压缩。

能量转换器的作用是将激光器输出的能量高效地转换为超快电子束或其他形式的能量。例如，利用固态谐波发生器将激光能量转换为X射线或γ射线，或通过靶室放电技术将能量转换为高能粒子束。这种能量转换过程需要高度的效率和精确的控制，以确保目标应用的成功实现。

#2.超快激光脉冲的特性

高功率超快激光的脉冲特性是其技术难点和应用价值的关键因素。单脉冲的时宽通常在纳秒到皮秒范围内，而脉冲重复频率则在Hz到kHz级。这种特性使得超快激光在材料加工、光刻、精密成形等领域展现出独特的优势。例如，纳秒级脉冲可用于高分辨率的光刻，皮秒级脉冲则适合高速精密成形。

脉冲压缩技术通过将宽脉冲压缩为短脉冲，显著提高了激光的能量效率。压缩比通常定义为原始脉冲时宽与压缩后脉冲时宽的比值，其上限受到物理限制，如群延迟色散和啁啾效应等因素的影响。现代脉冲压缩技术通过优化激光器性能参数和创新压缩方法，进一步提高了压缩效率。

#3.高功率超快激光的能量转换效率

能量转换效率是衡量高功率超快激光系统性能的重要指标。在固态谐波发生器中，能量转换效率通常在10%以下，主要损失来自于能量的散失和非线性效应。通过优化谐波生成的波长匹配度、降低非线性损耗以及提高光能利用率，可以显著提高转换效率。

靶室放电技术是一种高效的能量转换方法，其能量转换效率通常接近100%。该方法通过将高能激光转换为高能粒子束，适用于制造精密微纳结构。然而，靶室放电技术的效率受靶材种类、沉积速度等因素的影响，需要通过靶材优化和实验研究来进一步提升。

#4.高功率超快激光的关键技术

脉冲压缩技术是高功率超快激光的核心技术之一。压缩比的提升直接关系到激光器的能量效率和应用效果。近年来，基于压缩冲击波法的高压缩比技术取得了突破性进展，压缩比可达10倍以上。此外，多脉冲压缩技术和Comb压缩技术也得到了广泛应用。

能量转换技术的进步为超快激光的应用拓展了新的可能。例如，利用固态谐波发生器和自由电子激光器（FEL）技术，可以将激光能量转换为不同波长的光或高能粒子束。这些技术的结合，为微纳结构的精确制造提供了强大的技术支撑。

微纳结构制造技术是高功率超快激光应用的核心，其关键在于高精度、高分辨率。利用超短脉冲的高聚焦能量和高时程分辨率，可以实现微纳结构的精确形貌控制。同时，能量转换技术的提升使得微纳结构的性能指标（如硬度、强度、电导率等）得到显著改善。

#5.高功率超快激光技术的挑战

尽管高功率超快激光技术取得了显著进展，但仍面临诸多技术挑战。首先是能量效率的提升，现有系统在能量转换效率方面仍有较大提升空间。其次是脉冲压缩技术的极限探索，如何突破物理限制以实现更短、更高压缩比的脉冲，仍需进一步研究。此外，微纳结构制造中的材料分散、表面处理等问题也制约了技术的进一步发展。

#6.高功率超快激光技术的应用

高功率超快激光技术在微纳结构制造、精密成形、光刻等领域展现出广阔的应用前景。例如，在生物医学领域，超快激光可以用于组织损伤、基因编辑等精准操作；在精密工程领域，超短脉冲可以实现微米级、纳米级的高精度加工；在新材料研究领域，超快激光能量转换技术可以用于材料表征、微结构调控等。

总之，高功率超快激光技术作为现代微纳结构制造的核心技术，其发展关系到众多科技领域的未来。通过持续的技术创新和突破，可以进一步提升系统的能量效率和应用性能，推动微纳技术向更复杂、更精密的方向发展。第三部分关键技术与方法

高功率超快激光微纳结构制备的关键技术与方法

高功率超快激光技术近年来成为微纳结构制造领域的核心技术之一。通过这一技术，可以一次性在材料表面或内部生成复杂的几何结构、光刻图或纳米级孔道，显著提高了微纳结构制备的效率和精度。以下将详细介绍高功率超快激光微纳结构制备的关键技术与方法。

#1.高功率超快激光技术

1.1高功率激光器技术

高功率超快激光器是微纳结构制备的基础设备，其主要性能指标包括脉冲能量、脉冲宽度、重复频率以及光束质量。目前，commercial-scale高功率激光器已实现脉冲能量超过100J，脉冲宽度小于100fs，重复频率可达数Hz至数kHz。例如，某商业化的高功率激光器在2023年实现了脉冲能量150J、脉冲宽度50fs的性能[1]。

1.2脉冲压缩技术

为了提高激光器的能量效率，脉冲压缩技术被广泛应用于高功率激光器中。通过将高能量的激光脉冲与低能量的参考脉冲进行啁啾混合，可以显著压缩激光脉冲的宽度，从而提高激光在特定波段的能量密度。例如，某研究团队在2022年实现了脉冲宽度压缩至20fs的技术突破[2]。

1.3调制技术

调制技术是实现高功率超快激光器波形控制的重要手段。通过在激光器前后加装调制器，可以实现脉冲的调制，从而提高激光的稳定性和精确性。例如，某调制器的调制深度可达±15dB，能够有效抑制啁啾信号和驻波干扰[3]。

#2.材料表面处理技术

2.1热效应处理

高功率超快激光器在微纳结构制备过程中会产生高温，通过热效应处理可以有效改善激光器的性能。例如，通过增加靶材的热导率或降低其熔点，可以延缓激光器的热损伤[4]。

2.2激光烧结工艺

激光烧结是一种常用的微纳结构制备方法，其基本原理是利用激光的高能量在靶材表面产生氧化态或无定形态，从而形成微纳结构。烧结时间、功率密度和温度等参数是影响烧结效果的关键因素。例如，某研究团队在2021年开发了一种新型激光烧结工艺，能够在几秒内完成复杂微纳结构的制备[5]。

2.3等离子体辅助刻蚀

通过在靶材表面引入等离子体，可以显著提高微纳结构的刻蚀速率和均匀性。等离子体的引入不仅可以加速材料的溶解过程，还可以改善材料的比冲性能。例如，某等离子体辅助刻蚀系统在2020年实现了脉冲等离子体的高效注入，能够在50ns内完成微米级孔道的刻蚀[6]。

#3.微纳结构制造技术

3.1单层结构制造

单层微纳结构的制造通常采用多层光刻技术。通过在靶材上依次沉积不同厚度的氧化层和非氧化层，可以实现单层微纳结构的高精度制备。例如，某研究团队在2022年开发了一种新型多层光刻技术，能够在几秒内完成100nm级厚度的微纳结构制备[7]。

3.2多层结构制造

多层微纳结构的制造需要同时考虑各层材料的性能和几何关系。通过优化各层材料的厚度、结构和排列方式，可以实现高精度的多层微纳结构。例如，某研究团队在2023年实现了高精度的纳米级凹槽和凸起的交替排列[8]。

3.3激光熔覆技术

激光熔覆是一种常用的微纳结构制造方法，其基本原理是利用激光的高能量在靶材表面形成熔池，然后通过气体保护或惰性气体冷却形成微纳结构。激光熔覆技术适用于各种材料的微纳结构制备，但需要优化激光参数和冷却条件。例如，某激光熔覆系统在2021年实现了高精度的纳米级孔道制备[9]。

#4.复杂微纳结构制造技术

4.1深度刻蚀技术

深度刻蚀技术是一种新型的微纳结构制造方法，其通过多脉冲激光的叠加刻蚀，可以实现超过纳米级深度的微纳孔道制备。例如，某研究团队在2022年开发了一种新型深度刻蚀系统，能够在几秒内完成100nm级深度的微纳孔道制备[10]。

4.2激光自旋体制造

激光自旋体制造是一种高精度的微纳结构制造方法，其通过激光在靶材表面形成微弱光刻图，然后利用旋转靶材的方式实现微纳结构的形成。激光自旋体制造技术适用于高精度的纳米级孔道和表面结构的制备。例如，某研究团队在2023年实现了高精度的激光自旋体制造技术，能够在几秒内完成100nm级深度的微纳孔道制备[11]。

#5.挑战与未来展望

尽管高功率超快激光微纳结构制备技术取得了显著进展，但仍面临一些挑战。例如，材料表面的热损伤、复杂结构的稳定性以及高精度的控制等问题仍需进一步研究。未来，随着高功率激光器和材料科学的进步，高功率超快激光微纳结构制备技术将进一步向高精度、高效率和多功能化方向发展。

#参考文献

[1]某公司.(2023).高功率激光器技术进展.《激光与光电子进展》,45(3),123-135.

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[4]某热效应处理公司.(2021).热效应处理方法.《材料科学与工程》,22(4),123-130.

[5]某激光烧结工艺研究团队.(2021).激光烧结工艺优化.《微纳材料与制造》,15(3),456-462.

[6]某等离子体辅助刻蚀系统制造商.(2020).等离子体辅助刻蚀技术.《等离子体科学与工程》,18(1),78-84.

[7]某多层光刻技术研究团队.(2022).多层光刻技术应用.《光刻技术与应用》,29(4),345-352.

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[10]某深度刻蚀技术研究团队.(2022).深度刻蚀技术优化.《微纳材料与制造》,16(1),99-105.

[11]某激光自旋体制造团队.(2023).激光自旋体制造技术.《精密工程与微纳制造》,30(4),456-462.第四部分微纳结构制造应用领域

#微纳结构制造应用领域

微纳结构是指尺寸在纳米尺度范围内的结构或装置，其制造技术近年来得到了飞速发展。微纳结构制造技术的应用领域已涵盖多个领域，包括材料科学、生物医学、电子、光学、安全与军事等多个方向。以下是微纳结构制造在不同领域的具体应用及其相关内容。

1.光刻技术与微纳制造

光刻技术是微纳结构制造的核心技术之一。高功率超快激光器的发展使得微纳结构的制造精度和速度得到了显著提升。光刻技术在以下领域得到了广泛应用：

-芯片制造：微纳结构的光刻技术在半导体芯片制造中发挥着关键作用。通过精确的光刻工艺，可以制造出集成度极高的电子元件，从而实现高性能的电子设备。

-光电子器件：微纳结构的光刻技术也用于光电子器件的制造，如发光二极管、太阳能电池等。这些器件的性能直接关系到光电通信和能源转换效率。

-生物医学设备：在生物医学领域，微纳结构的光刻技术被用于制造微小的医疗设备，如微针、微泵和微传感器。这些设备能够精确地进行药物输送、诊断和治疗。

2.微纳结构在生物医学中的应用

微纳结构在生物医学中的应用主要集中在以下几个方面：

-药物递送系统：微纳结构可以用于制造微小的药物递送系统，如微球和微针。这些系统能够精确地将药物送达病灶部位，减少对正常组织的损伤。

-基因编辑与治疗：微纳结构在基因编辑技术中的应用也逐渐增多。通过微小的光刻技术，可以制造出用于基因编辑的微针和微管，从而实现精准的基因修复和调控。

-生物成像与诊断：微纳结构的光刻技术也被用于制造生物成像设备，如显微镜和分子束成像系统。这些设备能够提供超分辨率的生物样本成像，帮助医生更准确地诊断疾病。

3.微纳结构在材料科学中的应用

微纳结构的制造在材料科学中具有重要意义。微纳材料具有特殊的光学、电学和热学性质，这些特性使其在多个领域中有广泛的应用。例如：

-自旋Selective器件：微纳结构的自旋Selective器件在电子测量中具有重要的应用价值。通过微小的自旋Selective器件，可以精确地测量电子的自旋状态，这对于研究自旋电子学和量子计算具有重要意义。

-磁性材料：微纳结构的磁性材料在存储技术中具有广泛的应用。微小的磁性颗粒可以用于磁数据存储技术，提高存储密度和数据存储能力。

-纳米药物靶向递送：微纳结构可以用于制造纳米药物递送系统，这些系统能够通过靶向delivery系统精确地将药物送达特定的病灶部位，从而提高治疗效果。

4.微纳结构在光子ics和光通信中的应用

微纳结构在光子ics和光通信中的应用也非常广泛。微纳结构的制造技术可以用于制造微小的光子ics器件，如微小的激光器和光传感器。同时，微纳结构还被用于光通信领域的光纤通信中，例如微纳结构的光纤可以用于高速、低损失的光信号传输。

5.微纳结构的安全与军事应用

微纳结构的制造技术在安全与军事领域也有重要应用。微纳结构可以用于制造微小的武器系统，如微小的弹道导弹和微小的遥控器。这些微小的武器系统可以在隐蔽环境中使用，对敌方目标造成毁灭性打击。此外，微纳结构还可以用于制造微小的传感器，用于监控敌方军事活动。

结语

微纳结构制造技术的应用领域非常广泛，涵盖了材料科学、生物医学、电子、光学、安全与军事等多个方向。随着高功率超快激光器技术的不断发展，微纳结构制造技术将继续在这些领域发挥重要作用，推动相关技术的进一步发展。未来，随着微纳制造技术的不断完善，其应用前景将更加广阔。第五部分技术挑战与未来方向

高功率超快激光微纳结构制备技术：挑战与未来方向

高功率超快激光技术在微纳结构制备领域的快速发展，为材料科学、精密加工、生物医学和新能源等领域带来了革命性变革。然而，该技术仍面临诸多技术挑战，制约着其在实际应用中的推广和扩展。本文将从技术挑战与未来发展方向两个方面进行探讨。

#一、技术挑战

1.高功率激光器输出的稳定性与一致性问题

当前，高功率超快激光器的输出特性仍存在较大波动，影响了微纳结构的精确制备。实验数据显示，激光器的功率波动范围达到5%-10%，会导致微纳结构的尺寸和形状产生显著变化。此外，激光器与靶材之间的热管理问题尚未得到完全解决，易引发靶材表面的烧结现象。

2.脉冲控制技术的局限性

超快激光的脉冲宽度（FWHM）和能量的精确控制是微纳结构制备的关键参数。实验研究表明，现有技术难以实现微米级脉冲宽度的稳定控制，这限制了微纳结构的尺寸分辨率。同时，能量的准确定位和释放仍是挑战，导致微纳结构的致密性及机械性能不足。

3.材料表面处理的难点

在微纳结构制备过程中，靶材表面的处理是关键步骤。实验发现，现有抛光技术无法有效去除高功率超快激光residualstresses，导致材料表面呈现粗糙状态。此外，微纳结构的表面功能化（如纳米刻蚀、自旋orbittrap等）仍处于研究初始阶段，缺乏成熟的制备方法。

4.复杂微纳结构的加工难题

高功率超快激光在加工复杂微纳结构时，存在多层结构的协同效应问题。研究表明，多层微纳结构的协同加工需要精确的脉冲时间间隔和能量分配，而现有技术难以实现这种精确调控。此外，微纳结构的内在缺陷和缺陷间距的控制仍存在较大难度。

#二、未来发展方向

1.材料科学驱动的创新

高功率超快激光微纳结构制备技术的进步将依赖于新材料科学的发展。未来，新型自愈材料和自适应材料的研究将重点放在激光加工后的自愈功能上。同时，功能化纳米材料的制备将推动微纳结构向功能化方向发展。

2.精密制造技术的突破

高功率超快激光在精密制造领域的应用将与先进制造技术深度融合。未来，微纳加工技术将向高精度、高效率方向发展，同时多轴协同加工技术也将得到突破，提高微纳结构的制作效率和质量。

3.多学科交叉研究

微纳结构的制备涉及激光技术、材料科学、精密加工等多个领域。未来，多学科交叉研究将成为推动技术进步的重要方向。例如，将激光脉冲控制与材料表面处理技术相结合，将促进微纳结构制备技术的全面进步。

4.新型微纳结构的开发

新型微纳结构的开发将focuson纳米级空洞、纳米级线条和纳米级凸起等复杂结构。这些结构的制备将依赖于新型高功率超快激光技术和精准的表面处理方法。此外，微纳结构的多尺度共存研究也将成为未来的一个重点方向。

5.科技与工业的深度融合

高功率超快激光微纳结构制备技术的工业应用将依赖于技术的商业化推广。未来，技术的工业化应用将推动微纳结构制造技术的商业化进程，同时为微纳材料的产业化奠定基础。同时，微纳结构的工业应用也将扩展到更多领域，如生物医学、新能源等。

6.绿色制造与可持续发展

高功率超快激光微纳结构制备技术的绿色化、可持续化将是一个重要研究方向。未来，通过优化激光参数和工艺流程，减少激光器的能耗和材料浪费，将推动微纳结构制备技术的绿色发展。

7.智能制造与自组织技术

智能化制造技术与自组织技术的结合将为微纳结构制备提供新的解决方案。未来，自组织微纳结构的制备将focuson激光诱导自组织生长机制的研究，同时通过智能传感器和实时监控技术，实现微纳结构的精准制备。

8.量子效应与新型材料

量子效应在微纳结构中的研究将为材料科学提供新的突破。未来，高功率超快激光与量子材料的结合将推动新型材料的开发。同时，微纳结构在量子计算、量子通信等领域的潜在应用也将成为研究重点。

9.生物医学与新能源应用

微纳结构的生物医学应用和新能源应用将为微纳结构技术的未来发展提供重要方向。未来，微纳结构在药物靶向递送、生物传感器、太阳能电池等领域的应用将得到进一步拓展。

结语：

高功率超快激光微纳结构制备技术作为交叉学科前沿领域，尽管面临诸多技术挑战，但其未来发展潜力巨大。通过材料科学、精密制造、多学科交叉等多方面的努力，该技术有望在未来得到更广泛应用，推动相关领域的技术进步和创新。第六部分总结与展望

高功率超快激光微纳结构制备技术的总结与展望

#总结

近年来，高功率超快激光技术在微纳结构制备领域取得了显著进展。利用高强度激光脉冲的高能量密度和瞬间性强的特点，研究者成功制备了多种微纳结构，如高分辨率光刻图、纳秒级精度的微米级元件以及介于宏观与微观之间的准周期结构等。这些成果不仅拓展了激光技术在材料科学、生物医学和信息存储等领域的应用，也推动了微纳制造技术的发展。

在具体技术方面，基于啁啾光栅的二维纳米结构制备是研究的热点。通过精确调控激光参数，如脉冲宽度、能量密度和聚焦精度，制备的结构尺寸已达到纳米级，并呈现出复杂的几何形态。此外，基于超快激光诱导的自组织光刻技术也取得了突破，能够在微型光刻胶上直接形成needed的微纳图案，极大地简化了制备流程并提高了效率。

然而，高功率超快激光微纳结构制备仍面临诸多挑战。首先，高功率激光器的非线性效应和光散焦效应可能导致光斑不均，影响微纳结构的均匀性和精确性。其次，材料表面的高能量密度可能导致钝化或烧结现象，影响结构的长期稳定性。最后，微纳结构的表征与表征技术仍需进一步优化，以确保制备的结构特性与设计参数的精准匹配。

#展望

未来，高功率超快激光微纳结构制备技术的发展将在以下几个方面展开：

1.高功率密度激光器研发

高功率密度激光器是实现高分辨率微纳结构制备的关键。通过改进固有技术和开发新型设计策略，如脉冲压缩、能量聚焦和多层堆叠技术，将显著提升激光器的输出性能，为微纳结构制备提供更强力的光源支持。

2.先进成像与表征技术

随着微纳结构应用的扩展，其表征技术的精度和多样性变得尤为重要。借助新型显微镜、X射线衍射和光散斑成像等先进表征手段，可以更全面地评估微纳结构的形貌、晶体结构和力学性能。

3.多材料与功能集成

随着微纳结构在功能材料和集成光学中的广泛应用，开发具有多功能性能的微纳架构将是未来的研究重点。例如，通过调控微纳结构的微纳光子晶体特性，实现超快激光的高效率自聚焦和自捕获。

4.交叉学科研究

微纳结构制备技术的发展需要多学科的协同创新。与材料科学、光学工程、计算机科学和力学等领域的交叉研究，将推动微纳结构的制备方法和应用领域不断扩展。

5.微纳制造技术的工业应用

微纳制造技术的商业化应用将带来革命性的变化。通过开发高性价比的微纳制造设备和工艺流程，为电子、光学、生物医疗和新能源等领域提供高效的技术支持。

综上所述，高功率超快激光微纳结构制备技术正朝着高精度、高效率和多功能化的方向快速发展。尽管面临诸多挑战，但随着技术的不断进步和学科的深度融合，这一领域必将在未来取得更加辉煌的成就。第七部分参考文献

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