Dieser Artikel befasst sich mit der Polarisation von Transversalwellen. Andere Bedeutungen sind unterPolarisierung aufgeführt.
Polarisation einerstehenden Welle auf einem Gummifaden. Im Vordergrund wird das Ende des Fadens durch das Futter einer Bohrmaschine im Kreis geführt. Dadurch entsteht eine zirkuläre Schwingung. Zwei parallele Metallstangen erlauben eine freie Bewegung des Gummis in waagerechter, nicht aber in senkrechter Richtung. Dadurch schwingt das Gummi hinter den Stangen nur noch in einer Ebene. Dies entspricht linearer Polarisation.
DiePolarisation einerTransversalwelle beschreibt die Richtung ihrerSchwingung. Ändert sich diese Richtung schnell und ungeordnet, spricht man von einer unpolarisierten Welle.DerPolarisationsgrad gibt den geordneten Anteil an.Allgemein ist Polarisation eine physikalische Eigenschaftelektromagnetischer Wellen, die beschreibt, in welcherEbene dieelektrischen Feldvektoren schwingen.Bei inAusbreitungsrichtung schwingenden Wellen, denLongitudinalwellen, wie etwa beimSchall, gibt es keine Polarisation im eigentlichen Sinn bzw. man spricht von longitudinaler Polarisation.Die Untersuchung der Polarisation von Transversalwellen ist Gegenstand derPolarimetrie.
Bauelemente, die unpolarisiertes Licht polarisieren oder polarisiertes Licht abhängig von der Art und Richtung der Polarisation aufteilen oder unterdrücken, heißenPolarisatoren. Gemessen wird der Polarisationsgrad mittelsPolarimetern.
Zirkulare Polarisation: Auslenkung (z. B. einer Seilwelle) in x- und y-Richtung (in Ausbreitungsrichtung beträgt sie Null) in Abhängigkeit von der Zeit und von der z-Komponente des Ortes. Rot und blau die Komponenten der Auslenkung, schwarz die 3D-Ansicht. Der Pfeil illustriert den umlaufenden Auslenkungsvektor füreinen Raumpunkt.
Bei der Untersuchung des Lichtdurchgangs durchKalkspat stellte der französische PhysikerÉtienne Louis Malus 1808 fest, dass Licht unter bestimmten Umständen seine Symmetrie um die Fortpflanzungsrichtung verliert und somit eine „Seitlichkeit“ aufweist. Diese Eigenschaft nannte man nach Malus Vorschlag „Polarisation“. 1809 veröffentlichte Malus seine Erkenntnisse über die Polarisation durchReflexion und im Jahr 1810 stellte er seine Theorie zurDoppelbrechung vor[1] und formulierte dasGesetz von Malus.
1814 entdeckteDavid Brewster, dass wenn unpolarisiertes Licht in einem bestimmtenWinkel auf die Grenzfläche zweier Medien trifft, das reflektierte Licht senkrecht zur Einfallsebene polarisiert wird.
Um 1817 führteFrançois Arago verschiedene Experimente zur Interferenz von polarisiertem Licht durch. Arago zerschnitt einen Quarzkristall senkrecht zur Kristallachse und erkannte die Drehung der Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht.[2] Zusammen mitThomas Young, dem Arago die Ergebnisse zur Diskussion zusandte, kamen sie zu der Erkenntnis, dass es sich bei Licht um zwei senkrecht zueinander orientierteTransversalwellen handeln musste.[3]
1841 ließ Arago einencyanopolarimeter bei dem Gerätemacher Jean-Baptiste Soleil anfertigen, mit dem er die Rotation des polarisierten Lichts maß.[4]
Im Jahr 1844 konstruierteEilhard Mitscherlich einen Polarisationsapparat, der etwa zur Zuckerbestimmung im Harn Anwendung fand.[5]
Jean Baptiste Soleil[6],Josef Pohl undHeinrich von Wild entwickelten Vorformen des Polarimeters zurSaccharimetrie mit zwei Nicolschen Prismen und beobachteten direkt den Grad der Ablenkung der Polarisation.[7][8]
Eine enge Zusammenarbeit des Chemikers Karl Ventzke von der Schicklerschen Zuckerfabrik mit einem Hersteller für optische Geräte legte 1890 den Grundstein für eine effektive Saccharosemesstechnik, bei der die Polarisation noch heute genutzt wird. Sie stellte den Zusammenhang zwischen der optischen Rotation von Quarz und der von Saccharose her und wurde fortan zur Messung des Saccharosegehalts in Zuckerrüben eingesetzt.[9]
lineare Polarisation: Die Richtung der Schwingung ist konstant. Die Auslenkung aus der Ruhelage (im Fall der mechanischen Welle eine Verschiebung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung) ändert periodisch ihren Betrag und ihrVorzeichen. Die Richtung in Bezug auf eine bestimmte Ebene kann als Winkel angegeben werden (beiseismischen Wellen üblich) oder als Anteil der beiden Komponentenparallel bzw.senkrecht. Für elektromagnetische Wellen siehe das folgende Kapitel.
zirkulare Polarisation: (im 19. Jahrhundert alsdrehende Polarisation bezeichnet) Der Betrag der Auslenkung ist (abgesehen vonModulation) konstant, ihre Richtung ändert sich innerhalb der senkrecht zum Wellenvektor stehenden Ebene (derxy-Ebene im Bild) mit konstanter Winkelgeschwindigkeit. Für den Drehsinn sieheHelizität. Allerdings wird in der Literatur, besonders der älteren, häufig rechtszirkular polarisiert als Umlauf im Uhrzeigersinn bei Blickrichtung gegen die Ausbreitungsrichtung definiert (entsprechend einer Linksschraube).[10][11] Abkürzungen:RHCP undLHCP für rechts- oder linkshändige Polarisation (eng.Right Hand Circular Polarization undLeft Hand Circular Polarization).
elliptische Polarisation: Ist die Mischform der beiden oben genannten und bei der die Auslenkung eine Ellipse beschreibt.
Zusammensetzung einer linear, zirkular bzw. elliptisch polarisierten Welle (schwarz) aus linear polarisierten Komponenten (rot und blau)
Mathematisch werden die möglichen Polarisationen von Wellen der gleichen Wellenlänge und Frequenz als Elemente eines 2-dimensionalen Vektorraums aufgefasst. Was physikalisch eine Überlagerung von Zuständen ist, dem entspricht auf mathematischer Seite eine Linearkombination von Vektoren. Da beim Überlagern Amplitude () und Phase () beachtet werden müssen, dienen als Skalarfaktoren komplexe Zahlen (): Die Polarisationszustände des Lichts bilden daher einen Vektorraum über dem Körper der komplexen Zahlen. Als Basis (mit der man jeden Vektor darstellen kann) werden einerseits gern die zwei (links- bzw. rechtsdrehenden) zirkular polarisierten Zustände verwendet, anderseits auch zwei beliebige linear polarisierte Zustände mit aufeinander senkrechten Schwingungsebenen. Jede Basis lässt sich durch die andere ausdrücken. So ist ein zirkular polarisierter Zustand eine Überlagerung von zwei linear polarisierten Zuständen mit zueinander senkrechter Schwingungsebene, aber auch ein linear polarisierter Zustand eine Überlagerung der zwei zirkular polarisierten. Die Lage der Schwingungsebene wird dabei durch die Phasendifferenz der zirkular polarisierten Zustände bestimmt. Werden Basiszustände mit unterschiedlicher Amplitude oder ein zirkular mit einem linear polarisierten Zustand überlagert, so erhält man elliptisch polarisiertes Licht.
Photonen sindBosonen und könnenSpinkomponenten +1 oder −1 haben, was den beiden Möglichkeiten der zirkularen Polarisation entspricht (die Komponente Null kann nicht vorkommen, da sich das Photon mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, sieheHelizität). Die Spinachsen zeigen dabei je nach Helizität in Ausbreitungsrichtung oder dagegen. Lineare Polarisation entsteht durch lineare Überlagerung der beiden zirkular polarisierten Zustände mit gleicher Amplitude, die Photonen haben dann für denErwartungswert des Drehimpulses den Wert Null.
Bei der Beschreibung von Überlagerungen ist stets das Amplitudenverhältnis und diePhasenlage anzugeben.
Wenn zwei zirkular polarisierte Wellen, eine rechts- und eine linksdrehend, überlagert werden, ergeben sich folgende Polarisationen:
Bei gleichen Intensitäten und variabler Phasendifferenz ist die resultierende Polarisation linear und die Richtung hängt von der Phasenlage der Basispolarisationen ab.
In jedem anderen Fall resultiert elliptische Polarisation.
Wenn zwei linear polarisierte Wellen, deren Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander stehen, überlagert werden, ergeben sich folgende Polarisationen:
Bei verschwindenderPhasendifferenz (oder einer Phasendifferenz, die einem Vielfachen von entspricht) und unterschiedlicher oder gleicher Amplitude ist die resultierende Polarisation linear und die Richtung hängt vom Amplitudenverhältnis ab.
Bei einem Phasenunterschied von und gleichen Amplituden ist die Ausgangspolarisation zirkular.
In jedem anderen Fall ist die resultierende Polarisation elliptisch.
Sind auch die absolute Intensität und der Polarisationsgrad von Interesse, so sind insgesamt vier Angaben notwendig, als vierdimensionalerreellwertigerStokes-Vektor oder als zweidimensionalerkomplexwertigerJones-Vektor. Ist man nur an der Polarisation und nicht an der absoluten Intensität interessiert, wird oft diePoincaré-Kugel zur Darstellung der Polarisationszustände verwendet.
Quasimonochromatisches Licht kann alternativ auch durch die Kohärenzmatrix beschrieben werden.[12] Die Beschreibung der Wirkung eines polarisationsverändernden optischen Elementes beioptisch aktiven Materialien erfolgt durch Multiplikation mit einer entsprechendenMüller-Matrix beziehungsweise einerJones-Matrix.
Die auf der Erde und im Universum überwiegend beobachtete Ausprägung elektromagnetischer Strahlung istthermische Strahlung und damit zunächst unpolarisiert, das heißt, die Einzelwellen sind in ihren Eigenschaften statistisch verteilt; es handelt sich also um die Überlagerung einer Vielzahl von Einzelwellen mit unterschiedlichster Lage von Schwingungsebene und relativer Phase. DurchReflexion und/oder Streuung entsteht daraus teilpolarisiertes Licht, bei dem ein Teil der Einzelwellen gleiche Eigenschaften hinsichtlich ihrer Polarisation aufweist und alsPolarisationsmuster erscheint.
Schräge Reflexion an Grenzflächen, z. B. an einer Wasseroberfläche, trennt Licht teilweise nach seiner Polarisationsrichtung auf. Der in der Reflexionsebene polarisierte Anteil dringt eher ein, der dazu senkrechte Anteil wird eher reflektiert. Für die quantitative Abhängigkeit vom Einfallswinkel sieheFresnelsche Formeln.
Das blaue Licht des Himmels ist von Molekülen und statistischen Dichteschwankungen der Luft gestreutes Sonnenlicht. Die Luft wird durch die einfallende Welle in zufällige Richtungen senkrecht zur Einfallsrichtungelektrisch polarisiert. Streulicht in Richtungen dieser Schwingungsebene (Streuwinkel 90°) schwingt in ebendieser Ebene, ist also vollständig polarisiert. Für die Abhängigkeit vom Streuwinkel sieheRayleighstreuung. Das Himmelslicht ist jedoch durch Vielfachstreuung und Streuung an Partikeln nicht vollständig polarisiert.
VieleInsekten können linear polarisiertes Licht nach seiner Polarisationsrichtung unterscheiden und nutzen diesen Effekt, um sich zu orientieren. Bei derHonigbiene wurde dies durchKarl von Frisch erforscht.
Bezeichnung der Richtung linearer Polarisation elektromagnetischer Wellen bei Vorgängen mit Richtungsänderung des Lichtstrahls (hier Reflexion an einem Spiegel):Parallele Polarisation bedeutet, dass die elektrische Komponente in der Einfallsebene schwingt.
Elektromagnetische Strahlung (Licht,Radiowellen usw.) ist eine Transversalwelle mit jeweils rechten Winkeln zwischen dem Wellenvektor, der in Ausbreitungsrichtung zeigt, und den Vektoren des elektrischen und magnetischen Feldes, bzw.. Es ist willkürlich, ob als Polarisationsrichtung die Schwingungsrichtung des elektrischen oder des magnetischen Feldes gewählt wird. Allerdings bedeuten und für die Welle verschiedene Schwingungsrichtungen. Diese stehen aufeinander senkrecht. Aus der Zeit, als Licht noch als mechanische Schwingung des hypothetischen Äthers erklärt wurde, stammt eine Festlegung für die Bezeichnungen der beiden Polarisationsrichtungen, die sich später als die Schwingungsrichtung des magnetischen Feldvektors herausstellte.[18] Da die meisten Wechselwirkungen elektromagnetischer Strahlung mit Materie allerdings elektrischer Natur sind, wird die Polarisationsrichtung heute meist auf den elektrischen Feldvektor bezogen.
Wenn die Welle gebrochen, reflektiert oder gestreut wird, ist die Bezugsebene für die Bezeichnungenparallel undsenkrecht jene Ebene, in der die ein- und die auslaufende Welle liegen.
Nebenparallel undsenkrecht polarisierten Wellen werden unter anderem bei der Beschreibung der Reflexion weitere Bezeichnungen genutzt. So spricht man vonTM-polarisiertem Licht, wenn die Richtung des magnetischen Feldes senkrecht zu der durch Einfallsvektor und Flächennormale aufgespannten Ebene („Einfallsebene“) liegt (TM = transversal magnetisch; man spricht hierbei auch vonparallel-,p- oderπ-polarisiertem Licht, da das bei isotropen Materialien zum Magnetfeld senkrechte elektrische Feld in der Einfallsebene liegt), und vonTE-polarisiertem Licht, wenn das elektrische Feld senkrecht auf der Einfallsebene steht (TE = transversal elektrisch; man spricht hierbei auch vonsenkrecht-,s- oderσ-polarisiertem Licht).[19] In Richtung desBrewster-Winkels wird TM-polarisiertes Licht verstärkt in das Medium gebrochen anstatt reflektiert, das heißt, auch für unpolarisiertes einfallendes Licht ist das beim Brewster-Winkel ausfallende Licht immer TE-polarisiert. Beide Begriffe sind nur im Zusammenhang mit der reflektierenden Fläche definiert.
Bei zirkular oder elliptisch polarisiertem Licht unterscheidet man hinsichtlich der Drehrichtung des E- oder H-Vektors im Bezug auf die Ausbreitungsrichtung. Man spricht hier von links- oder rechtsdrehendem polarisiertem Licht (für die Bezeichnungskonventionen siehe oben).
Veranschaulichung von-,- und-Polarisation anhand eines atomaren Übergangs, wie es in der Laserspektroskopie verwendet wird
In derLaserspektroskopie wird die zirkuläre Polarisation anstelle vonrechts undlinks in („Sigma-Plus“) und („Sigma-Minus“) aufgeteilt, die bei atomaren Übergängen zwischenEnergieniveaus eine Änderung der magnetischenQuantenzahl von +1 bzw. −1 bewirkt. Linear polarisiertes Licht ( beim atomaren Übergang) wird als-polarisiertes Licht bezeichnet. Vorteil dieser Angabe ist die Unabhängigkeit vom Koordinatensystem (rechts undlinks); stattdessen bezieht sich die Angabe auf die gewählte Quantisierungsachse des Atoms.
Funkwellen für denRundfunk sindhorizontal odervertikal polarisiert, wobei stets derelektrische Feldvektor ausschlaggebend ist. Vertikale Polarisation und Rundstrahlcharakteristik ohne Auslöschungen ist mit einer einzelnen vertikalen Stab- oder Mastantenne (Viertelwellendipol) zu erzielen. Beispiele sind Lang- und Mittelwellensender sowie mobile Anwendungen (Seefahrt, Luftfahrt, Polizei und Militär).
Punkt-zu-Punkt-Datenverbindungen und auch dieSatellitenkommunikation verwenden oft Zirkularpolarisation, wobei der Drehsinn von Sendeantenne und Empfangsantenne übereinstimmen muss. Zirkularpolarisation ist nicht anfällig gegenüber polarisationsdrehenden Störungen beim Durchgang durch dieIonosphäre und spart eine Ausrichtungskoordinate bei anRaumfahrzeugen installierten Richtantennen.
Waagerechte lineare Polarisation wird imVHF- undUHF-Bereich genutzt und ist weniger anfällig gegen Reflexionen an (meist senkrechten) Metallmasten und damit verbundenemMehrwegeempfang (Geisterbilder beim analogen Fernsehrundfunk). Weitverbindungen aufKurzwelle erzielen hingegen mit waagerechter Polarisation eine bessere Reflexion an der Ionosphäre.
Licht von natürlichen Lichtquellen ist in der Regel nicht polarisiert.Polarisation kann durch Reflexion des Lichtes an Oberflächen oder durch Brechung an speziellen Materialien erfolgen oder auch durch Polarisationsfilter und Polarisationsfolien erreicht werden.
Vollständige Polarisation durch Reflexion tritt nur unter bestimmten Bedingungen auf, die erstmals von dem schottischen Physiker David Brewster im Brewstersches Gesetz formuliert wurden.Das reflektierte Licht an der Grenzfläche zweier Medien ist dann linear polarisiert, wenn der Winkel zwischen reflektiertem und gebrochenem Strahl genau 90° beträgt. Der elektrische Feldvektor des reflektierten polarisierten Lichtes schwingt dann senkrecht zur Einfallsebene. Auch das Licht, das in das andere Medium übertritt, ist linear polarisiert, wobei dort die Schwingungsebene des elektrischen Feldvektors in der Einfallsebene liegt. Ist die genannte Bedingung von 90° zwischen reflektiertem und gebrochenem Strahl nicht erfüllt, so tritt teilweise Polarisation auf.
Licht, das durch bestimmte Kristalle hindurchtritt, wird durch Brechung linear polarisiert. Zu solchen Kristallen zählenKalkspat,Turmalin,Quarz oder Glimmer, die sich durchDoppelbrechung auszeichnen, bei der das Licht an einem Kristall je nach seiner Schwingungsrichtung in unterschiedlicher Weise gebrochen wird. Die unterschiedlich gebrochenen Strahlen sind jeweils linear polarisiert. So ist z. B. bei Kalkspat derordentliche Strahl senkrecht zur Einfallsebene linear polarisiert, der außerordentliche Strahl senkrecht dazu. Die Kristalle verhalten sich optisch anisotrop, haben also in den verschiedenen Richtungen unterschiedliche optische Eigenschaften.
Polarisation durch Polarisationsfilter oder Polarisationsfolien
Bei vielen Anwendungen verwendet man heute zur Erzeugung von polarisiertem LichtPolarisationsfilter oder Polarisationsfolien. Dabei wird genutzt, dass in den betreffenden MaterialienKohlenstoffketten ähnlich wie Gitterstäbe linienförmig und parallel zueinander angeordnet sind. Diese Kohlenstoffketten bewirken eine lineare Polarisierung des durchgehenden Lichtes. Statt der Kohlenstoffketten verwendet man bei Polarisationsfolien Kunststofffolien mit parallel zueinander angeordneten nadelförmigenHerapathit-Kristallen.
Ein idealer Polarisationsfilter lässt nur die Komponente des Lichtes passieren, die parallel zur sogenannten optischen Achse des Filters schwingt. Die andere, dazu senkrechte Komponente wird vom Filter absorbiert. DieIntensität des Lichtes nimmt beim Durchgang ab.[20]
DiePolarisation vonLaserstrahlen ist aufgrund polarisierender optischer Bauteile imResonator (schräge Umlenkspiegel undBrewster-Fenster, geringe Höhe des Resonators bei Halbleiterlasern) meistens linear.
IdealeVerzögerungsplatten können eine bestehende Polarisation ändern, ohne den Strahl abzuschwächen, abzulenken oder zu versetzen, indem eine Polarisationskomponente in Bezug auf die dazu orthogonale Polarisationsrichtung verzögert wird.[21] Damit lässt sich sowohl dieArt wie die Ebene der Polarisation verändern:
creating circular polarization using a quarter-wave plate
Dasλ/4-Plättchen, auch alsZirkularpolarisator bezeichnet, kann aus einem linear polarisierter Lichtstrahl einen zirkular oder einen elliptisch polarisierten Strahl erzeugen. Umgekehrt verwandelt ein λ/4-Plättchen zirkular polarisiertes Licht in linear polarisiertes Licht.[22]
Mit einemλ/2-Plättchen kann die Drehung der Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht erreicht werden.[23]
A wave passing through a half-wave plate
Drehung der Polarisation durch optische aktive Materialien
Optisch aktive Materialien, Flüssigkeiten oder Festkörper, die das Phänomen deroptischen Aktivität zeigen, können die Polarisationsrichtung des durchgehenden Lichts drehen.[24] Der Grund für die Polarisationsdrehung liegt in der Kristall- oder Molekülstruktur der optisch aktiven Materialien. Man kann sie so verstehen, dass eine linear polarisierte Welle bei Eintritt in das Medium in zwei entgegengesetzt umlaufende, zirkular polarisierte Wellen gespalten wird, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortpflanzen. Bei Austritt aus dem Medium addieren sich die zirkular polarisierten Wellen wieder zu einer linear polarisierten, die gemäß der Phasenverschiebung um einenspezifischen Winkel gedreht ist.[25] Neben der natürlichen optischen Aktivität kann eine optische Aktivität auch erst durch äußere Magnetfelder über denFaraday-Effekt hervorgerufen werden[26], so beimFaraday-Rotator.
Die Polarisationsrichtung von Licht kann sich auch beim Durchgang desselben durchflüssigkristalline Stoffe ändern. In Flüssigkristallen mit gedreht-nematischer Phase folgt die Schwingungsebene des durchtretenden Lichtes der Orientierung der linear angeordneten Moleküle. Das findet Anwendung inFlüssigkristallanzeigen, in denen durch eine angelegte elektrische Spannung der Grad der Richtungsänderung des durchtretenden Lichtes geändert wird und sich in einem nachfolgenden Analysator als unterschiedliche Helligkeitswerte manifestiert.
Bedeutsam sind die Anwendungen der Polarisation in derPolarimetrie etwa in Pharmazie und in der Zuckerindustrie zur Bestimmung des Zuckergehalts von Lösungen.Die Implementierung einer Polarisationssteuerung kann in einer Vielzahl von Bildverarbeitungsanwendungen von Nutzen sein. Polarisatoren werden an einer Lichtquelle und/oder einem Objektiv eingesetzt, um Glanzeffekte durch Lichtstreuung zu beseitigen, den Kontrast zu erhöhen und intensive Lichtflecke aus reflektierenden Objekten zu entfernen. Dies bewirkt intensivere Farben oder mehr Kontrast bzw. erleichtert die Erkennung von Oberflächenfehlern oder anderen sonst verborgenen Strukturen.[21]
Polarisierte Einzelphotonen können benutzt werden, Quanteninformation zu kodieren und zu übertragen. Ein polarisiertes Photon ist der bestgeeignete Informationsträger für die Freilandübertragung. Polarisierte Photonen können dabei zumQuantenschlüsselaustausch verwendet werden.[27]
↑Paul Diepgen,Heinz Goerke:Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 38.
↑Ebenso inRudolf Gross:Polarisation des Lichts. In:Physik III Optik und Quantenphänomene (Vorlesungsskript zur Vorlesung im WS 2003/2004).S.76–120 (badw.de [PDF; abgerufen am 15. Juni 2024]).pdf (Memento vom 23. Januar 2019 imInternet Archive), TU München, abgerufen 2017. Dort wird diese Konvention alsunglücklich bezeichnet und darauf hingewiesen, dass in neuerer Literatur bisweilen die umgekehrte Definition verwendet wird (entsprechend der üblichen Konvention bei der Helizität) (S. 95).
↑ Stefan Greif, Ivailo Borissov, Yossi Yovel und Richard A. Holland:A functional role of the sky’s polarization pattern for orientation in the greater mouse-eared bat. In:Nature Communications. Band 5, Artikel-Nr. 4488, 2014,doi:10.1038/ncomms5488.
↑Karl Fent:Polarized skylight orientation in the desert ant Cataglyphis. In:Journal of Comparative Physiology A. Band 158, Nr. 2, 1986, S. 145–150,doi:10.1007/BF01338557.
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