Lehrbuch der Experimentalphysik: zum Gebrauch bei akademischen Vorlesungen und zum Selbststudium 3 Optik : Wellen- und Teilchenoptik
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| Weitere Verfasser: | , |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
de Gruyter
2004
|
| Ausgabe: | 10. Aufl. |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Literaturangaben Nachdruck des 3. Bd. mit gleicher ISBN in Part 1 & 2 erschienen |
| Beschreibung: | XXIII, 1430, IV S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 9783110170818 3110170817 |
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Inhalt
Energieeinheiten und Äquivalentwerte . XIX
Strahlungsphysikalische Größen und Einheiten . XIX
Lichttechnische Größen und Einheiten .
XX
Tabelle der Fundamentalkonstanten . XXI
E
Einführung: Von den Maxwell'schen Gleichungen zur Geometrischen Optik
Horst Weber
E.l Die Maxwell'schen Gleichungen . 3
E.l.l Die Feldgleichungen . 3
E.l.2 Die Materialgleichungen . 4
E.2 Monochromatische Schwingungen und die komplexe Schreibweise . 5
E.2.1 Zeitliche
Fourier-Transformation
und Spektrum . 5
E.2.2 Lineare Medien und die Materialgleichungen . 6
E.2.3 Das Lorentz-Modell der Wechselwirkung, ein Beispiel für ein lineares
dielektrisches Medium 8
E.3 Energetische Betrachtungen . 10
E.3.1 Energiedichte . 10
E.3.2 Poynting-Vektor, Intensität und Energieerhaltung . 10
E.3.3 Verlustfreie Medien . 11
E.4 Die Wellengleichung und einfache Lösungen . 12
E.4.1 Homogenes, isotropes, nichtleitendes, ladungsfreies, lineares Medium
(σ
= 0,
ρ =
0) . 13
E.
4.2 Die ebene Welle im verlustfreien Medium . 13
E.4.3 Die ebene Welle im verlustbehafteten Medium . 17
E.4.4 Dipolstrahlung und Kugelwelle . 18
E.4.5 Die Polarisation der Lichtwelle . 19
E.4.6 Anisotrope, lineare, nichtabsorbierende dielektrische Medien . 20
E.4.7 Nichtlineare dielektrische Medien . 22
E.5 Grenzbedingungen . 23
E.6 Beugungsprobleme . 24
E.6.1 Die reduzierte Wellengleichung . 25
E.6.2 Das Fresnel'sche Beugungsintegral . 26
E.6.3 Der Gauß'sche Strahl . 27
E.6.4 Das Fraunhofer'sche Beugungsintegral . 30
E.7 Geometrische Optik . 30
E.7.1 Die Eikonalgleichung . 30
X
Inhalt
Ε.7.2
Das
Fermaťsche
Prinzip . 32
E.7.3
Die Strahlengleichung . 34
1 Optische Abbildung
Jürgen
Kross
1.1 Einführung . 37
1.2 Geradlinige Strahlenausbreitung . 40
1.3 Reflexion, ebene Spiegel . 43
1.4 Brechung, Totalreflexion, Abbildung an ebenen Flächen . 50
1.4.1 Brechung . 50
1.4.2 Totalreflexion . 55
1.4.3 Abbildung durch Planflächen . 60
1.4.4 Planplatten . 62
1.4.5 Prismen . 65
1.5 Gauß-Optik . 76
1.5.1 Grundgrößen und Grundpunkte . 78
1.5.2 Abbildung durch einzelne Flächen . 84
1.5.3 Abbildung durch Flächenfolgen, Gauß-Matrizen . 89
1.5.4 Linsen, zusammengesetzte Systeme . 97
1.6 Strahlenbegrenzung, Blenden . 105
1.7. Abbildungsfehler . 114
1.7.1 Auswirkungen der Dispersion optischer Medien . 114
1.7.2 Abbildung bei endlichen Aperturen und Feldern . 122
1.8 Das Auge . 139
1.9 Optische Instrumente . 149
1.9.1 Strahlungs- und Informations-Übertragung . 149
1.9.2 Ausgewählte optische Instrumente . 157
2 Dispersion und Absorption des Lichtes
Hans-Joachim Eichler
2.1 Messung der Lichtgeschwindigkeit . 189
2.1.1 Verfahren von Römer . 190
2.1.2 Verfahren von
Bradley
. 191
2.1.3 Verfahren von Fizeau . 192
2.1.4 Verfahren von
Foucault
. 193
2.1.5 Neuere Verfahren . 195
2.2 Phasengeschwindigkeit, Gruppengeschwindigkeit . 197
2.3 Die Dispersion des Lichtes: Normale Dispersion . 203
2.4 Achromatische und geradsichtige Prismen; chromatische Bildfehler . 213
2.5 Infrarote und ultraviolette Strahlung . 220
2.5.1 Infrarote Strahlung . 221
Inhalt
XI
2.5.2 Strahlungsempfänger für Infrarot . 225
2.5.3 Infrarotdurchlässige und -undurchlässige Materialien . 229
2.5.4 Fourier-Spektroskopie . 234
2.5.5 Ultraviolettes Licht (UV) . 237
2.6 Absorption der Strahlung . 242
2.7 Die Dispersion des Lichtes: Anomale Dispersion . 248
2.8 Dispersion und Absorption schwach absorbierender Substanzen;
Anwendungen . 255
2.8.1 Oszillatormodell zur Berechnung der Dispersion . 256
2.8.2 Absorption und Dispersion bei einer und mehreren Eigenfrequenzen . 259
2.8.3 Allgemeine Folgerungen und Anwendungen . 264
2.9 Dispersion und Absorption der Metalle . 271
2.10 Spektralanalyse,
Emissions-
und Absorptionsspektren, Dopplereffekt,
Spektroskopie . 280
2.10.1 Spektralapparate . 281
2.10.2 Spektroskopie . 284
2.10.3 Filter, Detektoren, Spektroskopie-Verfahren . 293
3 Interferenz, Beugung und Wellenleitung
Hans-Joachim Eichler
3.1 Allgemeines über Interferenz von Lichtwellen . 301
3.1.1 Mathematische Formulierung der Zweistrahlinterferenz . 302
3.1.2 Kohärenz . 305
3.1.3 Interferenzexperimente mit ausgedehnten Lichtquellen, örtliche Kohärenz . 309
3.2 Fresnel'scher Spiegelversuch und Varianten . 311
3.3 Interferenzerscheinungen an dünnen Schichten . 317
3.3.1 Planparallele Platten . 317
3.3.2 Keilförmige Platten . 323
3.3.3 Vergütung, Entspiegelung . 328
3.3.4 Dielektrische Vielschichtenspiegel . 330
3.4 Zweistrahlinterferometer . 331
3.4.1 Michelson-Interferometer . 331
3.4.2 Interferenzmikroskop . 333
3.4.3
Jamin'sches Interferometer
. 334
3.5 Vielstrahlinterferenz; Interferenzspektroskopie . 335
3.5.1 Interferenzfilter . 340
3.5.2 Interferenzspektroskopie . 342
3.5.3
Fabry-Pérot-Interferometer
. 344
3.6 Stehende Lichtwellen; Farbenfotografie nach Lippmann . 350
3.7 Lichtschwebungen . 353
3.8 Grunderscheinungen der Beugung, Spalt, Lochblende . 357
3.8.1 Beugung an einem Spalt . 360
3.8.2 Beugung an einer kreisförmigen Lochblende . 365
3.8.3 Fraunhofer'sche Beugung und
Fourier-Transformation
. 366
XII Inhalt
3.9 Beugungsbegrenzung des Auflösungsvermögens optischer Instrumente . 369
3.9.1 Fernrohr . 369
3.9.2 Mikroskop . 371
3.9.3 Prismenspektralapparat . 373
3.9.4 Kontrastübertragungsfunktion . 374
3.10 Beugung am Doppelspalt und Gitter . 376
3.10.1 Beugung am Doppelspalt . 378
3.10.2 Mehrfachspalte, Gitter . 381
3.10.3 Volumengitter . 388
3.10.4 Lichtbeugung an Ultraschallwellen . 390
3.11 Beugung an zwei- und dreidimensionalen Gittern; Röntgenstrahlbeugung . 393
3.11.1 Röntgenstrahlbeugung an Kristallgittern . 398
3.11.2 Elastogramme . 404
3.11.3 Photonische Kristalle . 407
3.12 Bildentstehung im Mikroskop . 408
3.12.1 Auflösungsvermögen des Mikroskops nach Abbe . 408
3.12.2 Phasenkontrastverfahren nach Zernike . 417
3.12.3 Schatten- und Schlierenmethode . 421
3.13 Beugung an Teilchen, Lichtstreuung . 423
3.13.1 Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessungen . 424
3.13.2 Beugung an unregelmäßig angeordneten Objekten . 426
3.13.3 Statistische Interferenzen, Speckle-Interferometrie . 429
3.13.4 Theorie des Himmelblaus nach Rayleigh . 429
3.14 Holographie . 432
3.14.1 Das allgemeine Verfahren der Holographie . 432
3.14.2 Transmissionshologramme mit ebenen Referenzwellen . 435
3.14.3 Transmissionshologramme eines Bildpunktes bei kugelförmiger Referenzwelle 439
3.14.4 Aufnahmetechnik für Transmissions- und Reflexionshologramme . 444
3.14.5 Holographische
Interferometrie
. 450
3.14.6 Phasenkonjugation . 451
3.15 Wellenleiter und Glasfasern . 454
3.15.1 Grundlagen der Lichtleitung . 455
3.15.2 Faserarten . 460
3.15.3 Nachrichtenübertragung . 464
3.15.4 Faser-Nichtlinearitäten . 470
3.15.5 Materialien für Glas-Fasern . 473
3.15.6 Anwendungen, integrierte Optik und Photonik . 473
3.16 Nahfeld- und Nanooptik . 475
4 Polarisation und Doppelbrechung des Lichtes
Kurt Weber
4.1 Polarisation des Lichtes durch Reflexion und gewöhnliche Brechung. 481
4.2 Theorie der Reflexion, Brechung und Polarisation;
Fresneľsche
Formeln . . 492
4.3 Totalreflexion, Erzeugung von elliptisch und zirkulär polarisiertem Licht . . 500
4.4 Polarisation des reflektierten Lichtes bei absorbierenden Medien;
Metallreflexion . 513
Inhalt XIII
4.5 Doppelbrechung und Polarisation an optisch einachsigen Kristallen . 522
4.6 Optisch zweiachsige Kristalle . 550
4.7 Polarisatoren . 554
4.8 Drehung der Schwingungsebene polarisierten Lichtes (optische Aktivität) . 561
4.9 Optisches Verhalten und Symmetrie der Kristalle . 574
4.10 Interferenzen an Kristallplatten im parallelen, polarisierten Strahlengang . . 582
4.11 Interferenzen im konvergenten Licht . 595
4.12 Flüssigkristalle . 601
4.13 Induzierte Doppelbrechung in isotropen Stoffen . 615
4.14
Zeeman-
und Stark-Efiekt . 622
5 Optische Strahlung und ihre Messung
Heinrich Kaase, Felix
Seriek
5.1 Größen, Bezeichnungen, Einheiten . 633
5.1.1 Physikalische Grundlagen . 633
5.1.2 Licht- und Strahlungsgrößen . 636
5.1.3 Photonengrößen . 638
5.2 Lichterzeugung und Lampen . 639
5.2.1 Strahlungsgesetze . 639
5.2.2 Praktische Lichterzeugung . 641
5.2.3 Elektrische Lichtquellen . 642
5.2.4 Vorschaltgeräte und Netzrückwirkungen . 650
5.3 Solarstrahlung . 652
5.4 Messtechnik . 657
5.4.1 Empfängeraufbau und
-funktion
. 658
5.4.2 Notwendige Anpassungen . 660
5.4.3 Messgeräte für die Lichttechnik . 661
5.4.4 Strahlungsnormale . 665
6 Farbmetrik
Heinwig Lang
6.1 Farbmetrik und Physik . 669
6.2 Spektrale Eigenschaften von Lichtquellen . 673
6.3 Optische Filter . 678
6.4 Spektrale Eigenschaften von Körperoberflächen . 683
6.5 Lichtelektrische Empfänger in Photometrie und Farbmetrik . 690
6.6 Additive Farbmischung und Graßmann'sche Gesetze . 692
6.7 Farbgleichheit und Farbvalenz . 703
6.8 Die Spektralwertkurven . . . 707
6.9 Das Normvalenzsystem . 715
6.10 Farbmessung . 724
6.11 Physiologie des Farbensehens . 729
6.12 Empfindungsgemäße Farbsysteme und Farbabstände . 736
6.13 Körperfarben und Farbordnungen . 743
6.14 Verfahren der Farbreproduktion . 749
XIV Inhalt
7
Quantenoptik
Matthias Freyberger, Florian Haug,
Wolfgang P.
Schleich, Karl Vogel
7.1 Einleitung . 759
7.1.1 Eine kurze Geschichte der Quantenoptik . 759
7.1.2 Überblick . 760
7.2 Feldquantisierung in Coulomb-Eichung . 762
7.2.1 Entwicklung nach Moden . 762
7.2.2 Quantisierung des elektromagnetischen Feldes . 765
7.2.3 Reduktion auf eine Mode . 767
7.3 Feldzustände . 767
7.3.1 Reine und gemischte Zustände . 768
7.3.2 Zustände mit wohldefinierter Photonenzahl . 769
7.3.3 Kohärente Zustände . 769
7.3.4 Schrödinger-Katzen-Zustände . 771
7.3.5 Gequetschte Zustände . 772
7.3.6 Thermische Zustände . 775
7.3.7 Maße für das nichtklassische Verhalten von Zuständen . 776
7.4 Atom-Feld-Wechselwirkung . 777
7.4.1 Wechselwirkung zwischen elektrischem Dipol und Feld . 778
7.4.2 Ein elementares Modell . 779
7.4.3 Präparation von
Quantenzustanden
. 784
7.5 Reservoir-Theorie . 789
7.5.1 Mastergleichung . 789
7.5.2 Dämpfung und Verstärkung . 792
7.5.3 Dekohärenz . 793
7.6 Ein-Atom-Maser . 795
7.6.1 Mastergleichung . 796
7.6.2 Photonenstatistik im Gleichgewicht . 798
7.7 Atom-Reservoir-Wechselwirkung . 800
7.7.1 Mastergleichung . 801
7.7.2
Lamb-
Verschiebung . 802
7.7.3 Weisskopf-Wigner-Zerfall . 802
7.8 Resonanzfluoreszenz . 803
7.8.1 Modell . 803
7.8.2 Spektrum und Anti-Bunching . 804
7.9 Fundamentale Fragen der Quantenmechanik . 806
7.9.1 Quantensprünge . 806
7.9.2 Welle-Teilchen-Dualismus . 808
7.9.3 Verschränkung . 812
7.9.4 Bell'sche Ungleichung . 812
7.10 Quanteninformationsverarbeitung . 814
7.10.1 Quantenteleportation . 814
7.10.2 Quantenkryptographie . 816
Inhalt
XV
8 Erzeugung von kohärentem Licht - LASER
Horst Weber
8.1 Das Rückkopplungsprinzip und Verstärkung von Licht . 824
8.2 Herstellung eines Inversionszustandes . 827
8.3 Ausgangsleistung eines Laser-Oszillators . 833
8.4 Beispiele für Laseroszillatoren . 836
8.4.1 Festkörperlaser . 837
8.4.2 Abstimmbare Festkörperlaser . 837
8.4.3 Gaslaser . 838
8.4.4 Farbstoff-Laser . 842
8.4.5 Halbleiter-Laser . 842
8.4.6 Plasma-Laser (Röntgen-Laser) . 845
8.4.7 Freie Elektronenlaser . 848
8.5 Spektrale Eigenschaften der Laseremission . 851
8.5.1 Die stehenden, longitudinalen Wellen . 851
8.5.2 Linienbreite . 854
8.6 Die transversalen Wellenformen . 859
8.6.1 Der optische Resonator mit Beugung . 859
8.6.2 Der sphärische, stabile Resonator. 861
8.6.3 Instabile Resonatoren . 871
8.6.4 Mikroresonatoren . 872
8.7 Erzeugung kurzer und ultrakurzer Lichtimpulse . 875
8.7.1 Spiking-Betrieb . 875
8.7.2 Gütemodulation (g-switch) . 877
8.7.3 Kopplung von Wellenformen
(Mode-Locking)
. 881
8.7.4 Bestimmung der Pulsbreite . 889
9 Nichtlineare Optik
Horst Weber
9.1 Die allgemeine Beziehung zwischen der Polarisation des Mediums und der
elektrischen Feldstärke . 901
9.1.1 Ausbreitung von Licht in einem linearen Medium . 901
9.1.2 Die Kennlinie des Elektrons . 902
9.1.3 Beispiele für einige nichtlineare Effekte . 906
9.2 Die Suszeptibilität für Effekte 2. und 3. Ordnung . 907
9.3 Quantitative Beschreibung der Oberwellenerzeugung . 914
9.3.1 Wellengleichung der nichtlinearen Optik und Lösungen . 914
9.3.2 Realisierung der Phasenanpassung . 918
9.4 Parametrische Systeme . 928
9.5 Weitere quadratische Effekte . 932
9.5.1 Der Pockels-Effekt (linearer, elektrooptischer Effekt) . 932
9.5.2 Optische Gleichrichtung . 938
XVI Inhalt
9.6 Kubische Effekte . 940
9.6.1 Elektrooptische Effekte . 940
9.6.2 Entartete Vierwellen-Mischung . 949
9.6.3 Kerr-Effekt, thermische Effekte und Photorefraktion . 952
9.6.4 Vakuum-Doppelbrechung . 953
9.6.5 Nichtlineare Absorption . 953
9.7 Induzierte Streuung . 956
9.7.1 Allgemeine Betrachtungen . 956
9.7.2 Raman-Streuung . 958
9.8 Nichtlineare Anregungsprozesse . 980
9.8.1 Zweiphotonen-Anregung . 980
9.8.2 Multiphotonen-Ionisierung . 981
9.9 Erzeugung von ultraviolettem Licht durch Frequenzvervielfachung. 986
9.9.1 Frequenzvervielfachung in mehreren Stufen . 986
9.9.2 Frequenzvervielfachung in Metalldämpfen und Gasen . 988
9.9.3 Frequenzvervielfachung in Plasmen . 990
9.10 Optische Instabilitäten . 991
10
Röntgenoptik
Günter Schmähl
10.1 Röntgenquellen . 1000
10.1.1 Synchrotronstrahlungsquellen . 1001
10.1.2 Plasmaquellen . 1003
10.2 Elemente der
Röntgenoptik
. 1005
10.2.1 Wechselwirkung weicher Röntgenstrahlen mit Materie . 1005
10.2.2 Spiegel für Reflexion in streifendem Einfall . 1007
10.2.3 Spiegel für Reflexion in senkrechtem Einfall - Spiegel aus Mehrfachschichten 1011
10.2.4 Zonenplatten . 1012
10.2.5 Brechungslinsen für harte Röntgenstrahlen . 1018
10.3 Röntgendetektoren . 1019
10.4 Röntgenmikroskopie . 1021
10.4.1 Röntgenmikroskope . 1022
10.4.2 Rasterröntgenmikroskope . 1026
10.5 Röntgen- und EUV-Lithographie . 1027
11 Materiewellen, Elektronenoptik
Hannes Lichte, Heinz Niedrig
11.1 Materiewellen . 1031
11.2 Elektronenbeugung . 1036
11.3 Elektronen-Interferometrie . 1042
11.4 Elemente der Elektronenoptik . 1054
11.4.1 Elektronenoptische Brechzahl . 1054
Inhalt XVII
11.4.2 Elektronenlinsen, Brennweite . 1056
11.4.3 Bildfehler von Elektronenlinsen . 1071
11.5 Elektronenmikroskopie . 1079
11.5.1 Transmissions-Elektronenmikroskopie
(ТЕМ)
. 1081
11.5.2 Elektronenholographie . 1099
11.5.3 Rasterelektronenmikroskopie . 1105
11.5.4 Puls-Elektronenmikroskopie . 1110
11.6 Elektronenenergieverlust-Spektroskopie, energiefilternde Abbildung,
Mikroanalyse . 1113
11.7 Elektronenstrahl-Lithographie . 1119
11.8 Teilchen und Welle . 1125
12 Rastersondenmikroskopie
Harald Fuchs
12.1 Prinzip der oberflächensensitiven Rastersondenverfahren . 1133
12.2 Rastertunnelmikroskopie . 1135
12.2.1 Instrumentierung . 1137
12.2.2 Tunnelspektroskopie . 1138
12.2.3 Anwendungen der Rastertunnelmikroskopie . 1139
12.3 Rasterkraftmikroskopie . 1142
12.3.1 Kontakt-Kraftmikroskopie . 1143
12.3.2 Statische Kraftspektroskopie . 1147
12.3.3 Dynamische Kraftmikroskopie . 1148
12.4 Optische Rasternahfeldmikroskopie
(SNOM)
. 1152
12.5 Weitere Rastersondenverfahren und verwandte Methoden . 1157
13 Neutronenoptik
Helmut Rauch
13.1 Einleitung und Grundgleichungen . 1161
13.2 Neutronenquellen und Detektoren . 1168
13.3 Brechung und Reflexion . 1171
13.4 Beugung an makroskopischen Objekten . 1176
13.5 Beugung in der Zeit . 1189
13.6 Beugung an perfekten Kristallen (Dynamische Beugung) . 1191
13.7
Interferometrie
. 1197
13.8 Holographie . 1217
13.9 Optik mit ultrakalten Neutronen . 1218
14 Optik mit Materiewellen: Atomoptik
Tilman Pfau
14.1 Einleitung . 1229
14.2 Atom-Licht-Wechselwirkung . 1232
XVIII
Inhalt
14.3
Spontane
Emission und Lichtkräfte . 1241
14.4 Zusammenfassung Lichtkräfte . 1244
14.5 Vom Ofen zum Atomlaser: Quellen für Atomoptik . 1245
14.5.1 Thermische Quellen . 1245
14.5.2 Laserkühlverfahren . 1246
14.5.3 Verdampfungskühlung . 1260
14.5.4 Bose-Einstein-Kondensation . 1261
14.6 Anwendungen der Atomoptik . 1263
14.6.1 Atomlithographie . 1263
14.6.2 Atominterferometrie . 1272
14.6.3 Gedankenexperimente im Labor . 1289
14.7 Ausblick . 1292
15 Strahlungsprozesse und Optik in der Relativitätstheorie
Erwin Sedlmayr
15.1 Spezielle Relativitätstheorie . 1298
15.1.1 Die Viererschreibweise der relativistischen Mechanik und Elektrodynamik . 1298
15.1.2 Der Energie-Impuls-Tensor . 1306
15.1.3 Lorentz-invarante Formulierung der Elektrodynamik . 1309
15.1.4 Teilchen in Magnetfeldern . 1316
15.1.5 Die Strahlung eines beschleunigten geladenen Punktteilchens . 1326
15.2 Allgemeine Relativitätstheorie . 1346
15.2.1 Gravitation und Krümmung der Raumzeit . 1346
15.2.2 Die Einstein'schen Feldgleichungen . 1349
15.2.3 Der Newton'sche Grenzfall . 1351
15.2.4 Die Bewegung eines Massenpunktes in einem gegebenen Gravitationsfeld . 1354
15.2.5 Die Raumzeit-Metrik kugelförmiger Massenverteilungen . 1355
15.3 Experimentelle Bestätigungen der Allgemeinen Relativitätstheorie . 1358
15.3.1 Frequenzänderung von Spektrallinien . 1359
15.3.2 Lichtablenkung im Gravitationsfeld . 1364
15.3.3 Gravitationslinsen . 1366
15.3.4 Laufzeitverzögerung von Radiowellen . 1368
15.3.5 Periheldrehung der Planetenbahnen . 1370
15.3.6 Perigäumsdrehung und Thirring-Lense-Effekt . 1372
15.4 Gravitationswellen . 1372
15.4.1 Emission von Gravitationswellen durch ein Doppelsternsystem . 1378
15.4.2 Experimenteller Nachweis von Gravitationswellen auf der Erde . 1382
Anhang 15A: Kovariante und kontravariante Vektoren . 1386
Anhang 15B: Lorentz-Transformationen . 1389
Register . 1397
Farbtafeln . 1431 |
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