基于包层腐蚀优化折射率敏感的光子晶体光纤马赫-曾德尔干涉仪

黄国家; 马诗章; 王恋; 李仕平; 冯文林

doi:doi:10.3788/LOP56.170629

激光与光电子学进展, 2019, 56 (17): 170629, 网络出版: 2019-09-05

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Photonic Crystal Fiber Mach-Zehnder Interferometer Based on Refractive Index Sensitivity of Cladding Corrosion Optimization

论文大纲

黄国家 ¹马诗章 ²王恋 ¹李仕平 ¹冯文林 ^2,3,*

作者单位

¹ 广州特种承压设备检测研究院, 广东广州 510663

² 重庆理工大学理学院, 重庆 400054

³ 绿色能源材料技术与系统重庆市重点实验室, 重庆 400054

光纤光学光子晶体光纤马赫-曾德尔干涉仪腐蚀优化消逝场 fiber optics photonic crystal fiber Mach-Zehnder interferometer corrosion optimization evanescent field

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摘要

为了减小光纤包层厚度并提升干涉仪的折射率灵敏度,设计一种结构简单、容易制作的光子晶体光纤马赫-曾德尔干涉仪。首先,在两根单模光纤之间熔接一段光子晶体光纤(PCF);然后,在自制的腐蚀槽中采用氢氟酸进行化学腐蚀来减小包层厚度,并通过控制变量的方法,研究光子晶体光纤的长度、腐蚀时间,以及环境温度对制得的干涉仪灵敏度的影响。结果表明,随着光纤长度增加,制得的干涉仪的灵敏度提高。将3 cm的PCF在质量分数为40%的氢氟酸溶液中腐蚀40 min后,制得的干涉仪的灵敏度增加了约3倍。环境温度对制得的干涉仪的灵敏度几乎无影响。

Abstract

In order to reduce the thickness of fiber cladding and improve the refractive index sensitivity of the interferometer, a simple photonic crystal fiber (PCF) Mach-Zehnder interferometer which is easy to fabricate is developed. First, a PCF is fused between two single-mode fibers; then, in a self-made etching tank, hydrofluoric acid is used to reduce the thickness of the cladding. The effects of the length, corrosion time, and ambient temperature on the sensitivity of PCFs are studied by controlling the above variable factors. The results show that the sensitivity increases with the increasing length of the optical fiber, and increases about three times after 40 min corrosion in hydrofluoric acid solution with mass fraction of 40% for 3 cm PCF. The ambient temperature has little influence on the sensitivity of the PCF Mach-Zehnder interferometer.

1 引言

光纤传感技术的迅速发展始于1977年,如今日趋成熟,相位调制型光纤传感器是近年来最热门的光纤传感技术研究方向之一。其基本原理是,利用被测对象对敏感元件的作用,使敏感元件的折射率或者传播常数发生变化,从而导致光的相位产生变化,通过检测光的相位变化得到被测对象的信息。其中,光纤折射率传感器具有体积小、设计灵活、免疫电磁干扰等优点,可实现远程和在线检测。由于许多基质的检测都可以利用折射率来进行测量,因此光纤折射率传感器在生物和化学研究方面极具潜力目前,在不同的技术基础上已发展起来各种基于光纤的折射率传感器,如D型光纤设备^[1]、表面布拉格光栅^[2]、长周期光纤光栅^[3]、光纤布拉格光栅^[4]、倾斜光纤光栅^[5]、微光纤谐振腔^[6]、金属包层锥型光纤^[7]、光子晶体光纤干涉仪^[8]等。

在光纤中,光子晶体光纤(PCF)拥有独特的优势,能在很大范围内支持光的单模传输,同时还具有可控的非线性、低弯曲损耗、大模场和可调节的奇异色散等物理特性。因此,近年来PCF干涉仪被广泛研究^[9],并已应用于不同领域,如应变、温度传感等,或者通过光纤与材料的结合,制成折射率传感型的气体、湿度、pH等传感器^[10-13]。2017年,梁红勤等^[14]通过有限单元法(FEM)数值模拟研究了基于双芯PCF的椭圆侧芯表面等离子体共振(SPR)折射率传感结构,该结构在1.45~1.50折射率间的灵敏度为10412 nm·RUI^-1。2018年,杨远洪等^[15]对基于实芯保偏PCF的干涉型PCF陀螺技术进行研究,开发了专用的制备技术、耦合技术和熔接工艺。近年来,一种利用单模光纤(SMF)和PCF构成的干涉仪,因制造简单、结构稳定、经济高效而受到了广泛的关注^[16-17],其制作方式是将PCF熔接到两根单模光纤之间。由于包层模式对外界环境敏感,因此通过消逝场和包层外样品的相互作用,即可实现折射率的传感测量。若对包层镀上敏感膜,消逝场通过膜与其他参量相互作用,这样就能通过敏感膜充当媒介实现间接测量。通过分析可知,这种光纤折射率改变型传感器的工作原理与包层消逝场有关,然而过大的光纤尺寸会限制包层消逝场,进而影响传感器的折射率灵敏度。因此,通过腐蚀包层来增强消逝场的激发,有助于提高光纤传感器的折射率灵敏度。

本文采用化学腐蚀法来提高干涉仪的灵敏度。腐蚀液采用质量分数为40%的氢氟酸(HF)溶液,通过控制PCF的长度和腐蚀时间,研究包层腐蚀对提升PCF马赫-曾德尔干涉仪灵敏度的作用。

2 实验系统与步骤

2.1 腐蚀装置

图1为腐蚀装置示意图。装置的制作步骤为:1)用透明胶包裹玻片,以免受HF的腐蚀;2)在玻片表面涂抹两次热熔胶,在表面构建一个腐蚀槽。因为腐蚀槽的间距较小,所以腐蚀液滴入腐蚀槽后在表面张力的作用下不会向两边流动,这样就可以控制腐蚀液滴入的长度。

图 1. 腐蚀装置示意图

Fig. 1. Diagram of corrosion device

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2.2 实验步骤

腐蚀液采用质量分数为40%的HF溶液。首先,将清洗干净的干涉仪放入腐蚀槽中,采用移液器将腐蚀液滴入腐蚀槽中,腐蚀之后,取出干涉仪,用去离子水清洗干净。腐蚀液倒入事先配制好的GaCl₂溶液中中和多余的氟离子。

3 实验结果与讨论

3.1 不同长度PCF对干涉仪折射率灵敏度的影响

设置PCF的长度分别为2,3,4,5 cm,配制质量分数为0~25%的NaCl溶液,测试不同PCF长度的干涉仪对外界折射率的灵敏度。

从图2可以看出,对于PCF长度为2 cm的干涉仪而言,随着外界折射率的增大,光谱偏移呈现红移(往波长增大的方向移动)趋势,经过拟合可知,光谱偏移与外界折射率呈线性关系,拟合度R²=0.986。从表1可以看出,由不同长度的PCF构成的干涉仪对外界折射率的灵敏度不一,随着PCF长度增加,灵敏度增大。

表 1. 由不同长度的PCF构成的干涉仪的折射率灵敏度

Table 1. Refractive index sensitivity of PCF with different lengths

PCF length /cm	Sensitivity /(nm·RIU^-1)
2	184.307
3	190.174
4	206.179
5	227.711

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图 2. 由2 cm长的PCF构成的干涉仪对外界折射率的灵敏度。(a)波长偏移图;(b)波长偏移拟合图

Fig. 2. Sensitivity of 2 cm PCF to external refractive index. (a) Image of wavelength shift; (b) fitting image of wavelength shift

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从图1可以看出,光从左边的单模光纤进入,在单模光纤与PCF的熔接处有一部分光被激发至包层中传输,在第二个熔接处发生会聚,产生马赫-曾德尔干涉,其干涉光强为^[18]

\begin{matrix} I = I_{cor} + I_{cla} + 2 \sqrt[]{I_{cor} I_{cla}} cosΔφ, (1) \end{matrix}

式中:I_cor和I_cla分别为PCF中传输的芯层光强与包层中的光强;Δφ为两束光的相位差,可表示为

\begin{matrix} Δφ = \frac{2 πΔ n_{eff} L}{λ}, (2) \end{matrix}

式中:λ为传输光的波长;L为两个塌陷层之间的干涉长度;Δn_eff是光纤纤芯有效折射率 $\begin{matrix} n_{eff}^{cor} \end{matrix}$ 和包层有效折射率 $\begin{matrix} n_{eff}^{cla} \end{matrix}$ 的差值。当Δφ=(2m+1)π时,发生干涉相消,m阶干涉波谷可以表示为

\begin{matrix} λ_{m} = \frac{2 Δ n_{eff} L}{2 m + 1} 。 (3) \end{matrix}

对(3)式求λ的全微分,可得

\begin{matrix} d λ_{m} = \frac{2}{2 m + 1} (LdΔ n_{eff} + Δ n_{eff} dL) 。 (4) \end{matrix}

由于L在测量过程中不会发生变化,始终保持常数,所以dL=0。将(3)式代入(4)式,可得

\begin{matrix} d λ_{m} = \frac{λ_{m}}{Δ n_{eff}} dΔ n_{eff} 。 (5) \end{matrix}

由于包层模式的有效折射率是波长和外界折射率的函数,即n_cla(λ,n_ext),其中n_ext是外界折射率,而纤芯模式只是波长的函数,即n_cor(λ),则有Δn_eff=n_cor(λ)-n_cla(λ,n_ext),且满足

\begin{matrix} \begin{matrix} dΔ n_{eff} = \frac{\partial Δ n_{eff}}{\partial λ} dλ + \frac{\partial Δ n_{eff}}{\partial n_{ext}} d n_{ext}, (6) \\ \frac{\partial Δ n_{eff}}{\partial n_{ext}} = \frac{\partial Δ n_{eff}}{\partial n_{cla}} \frac{\partial Δ n_{cla}}{\partial n_{ext}} 。 (7) \end{matrix} \end{matrix}

将(7)式代入(6)式,再将(6)式代入(5)式,可得

\begin{matrix} (1 - \frac{λ_{m}}{Δ n_{eff}} \frac{\partial Δ n_{eff}}{\partial λ}) dλ = \frac{λ_{m}}{Δ n_{eff}} \frac{\partial Δ n_{eff}}{\partial n_{c la}} \frac{\partial Δ n_{cla}}{\partial n_{ext}} d n_{ext}, (8) \end{matrix}

因为 $\begin{matrix} \frac{\partial Δ n_{eff}}{\partial n_{cla}} \end{matrix}$ =-1,则由(8)式可得

\begin{matrix} \frac{d λ_{m}}{d n_{ext}} = \frac{\frac{- λ_{m}}{Δ n_{eff}} \frac{\partial Δ n_{cla}}{\partial n_{ext}}}{1 - \frac{λ_{m}}{Δ n_{ext}} \frac{\partial Δ n_{eff}}{\partial λ}} = \frac{\frac{- 2 L}{2 m + 1} \frac{\partial Δ n_{cla}}{\partial n_{ext}}}{1 - \frac{λ_{m}}{Δ n_{eff}} \frac{\partial Δ n_{eff}}{\partial λ}} 。 (9) \end{matrix}

(9)式即为包层-纤芯模式的马赫-曾德尔干涉结构对外界折射率灵敏度的计算公式^[19]。由(9)式可知,该灵敏度与干涉长度成正比。图3是不同长度的PCF与干涉仪灵敏度的关系,随着PCF长度增加,干涉仪的折射率灵敏度增大。经过拟合可知,PCF长度与干涉仪的折射率灵敏度成正比,拟合度R²=0.917,与(9)式相符。

图 3. 不同长度的PCF与干涉仪折射率灵敏度的关系

Fig. 3. Relationship between sensitivity and length of PCF

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3.2 不同长度的PCF腐蚀前后对干涉仪折射率灵敏度的影响

保持腐蚀时间为20 min,对长度分别为2,3,4,5 cm的PCF进行腐蚀,探究其对干涉仪折射率灵敏度的影响。从图4可以看出,对于由3 cm的PCF制成的干涉仪,随着外界折射率的增大,光谱偏移呈现红移趋势,经过拟合可知,光谱偏移与外界折射率呈线性关系,拟合度R²=0.999。从表2可以看出,经过腐蚀之后,由不同长度PCF构成的干涉仪,其折射率灵敏度均得到了提升:由2 cm的PCF构成的干涉仪,折射率灵敏度从184.307 nm·RIU^-1提高到214.071 nm·RIU^-1;由3 cm的PCF构成的干涉仪,折射率灵敏度从190.174 nm·RIU^-1提高到254.717 nm·RIU^-1;由4 cm的PCF构成的干涉仪,折射率灵敏度从206.179 nm·RIU^-1提高到274.441 nm·RIU^-1;由5 cm的PCF构成的干涉仪,折射率灵敏度从227.71 nm·RIU^-1提高到242.24 nm·RIU^-1。需要指出的是,本研究是从PCF的角度提升传感器折射率灵敏度,在实际应用中,也可从敏感材料的改性和结构两个方面进行提升。

图 4. 由腐蚀20 min的3 cm PCF构成的干涉仪对外界折射率的灵敏度。(a)波长偏移图;(b)波长偏移拟合图

Fig. 4. Sensitivity of interferometer with 3 cm PCF to external refractive index after corrosion for 20 min. (a) Image of wavelength shift; (b) fitting image of wavelength shift

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表 2. 由长度3 cm的腐蚀前后的PCF构成的干涉仪对外界折射率的灵敏度

Table 2. Sensitivity of interferometer with 3 cm PCF to external refractive index before and after corrosion

Length /cm	Sensitivity before corrosion /(nm·RIU^-1)	Sensitivity after corrosion /(nm·RIU^-1)
2	184.307	214.071
3	190.174	254.717
4	206.179	274.441
5	227.711	242.246

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3.3 PCF腐蚀时间对干涉仪折射率灵敏度的影响

选用长度3 cm的PCF构成干涉仪,研究不同腐蚀时间对干涉仪折射率灵敏度的影响。为了观察多个干涉波谷的移动,需要减小外界折射率的变化,因此将测试用的NaCl溶液浓度设置为0~5%。

在图5中,Δλ_i (i=1,2,…,8)表示第i个检测波谷的光谱偏移,Δλ_avg为平均光谱偏移。从图5和表3可以看出,随着腐蚀时间延长,当外界折射率变化一样时,光谱的偏移呈现增大的趋势。由(3) 式可以推导出

\begin{matrix} Δ λ_{m} = \frac{2 ΔnL}{2 m + 1}, (10) \end{matrix}

式中:Δn 为纤芯和包层有效折射率之差的变化量。因为纤芯的 $\begin{matrix} n_{eff}^{cor} \end{matrix}$ 是不变的,所以有

\begin{matrix} Δn = (n_{eff}^{cor} - n_{eff}^{cla'}) - (n_{eff}^{cor} - n_{eff}^{cla}) = n_{eff}^{cla} - n_{eff}^{cla'}, (11) \end{matrix}

图 5. 由未腐蚀的3 cm PCF构成的干涉仪在不同NaCl溶液中的折射率灵敏度

Fig. 5. Refractive index sensitivity of interferometer with 3 cm PCF in NaCl solution before corrosion

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表 3. 3 cm PCF在不同腐蚀时间下的光谱数据

Table 3. Spectral data of 3 cm PCF with different corrosion time

Corrosion time /min	Number of detectable troughs	Average spectral shift /nm
0	8	0.866
10	4	1.372
20	6	1.425
30	5	2.192
40	5	2.638
50	2	2.223

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式中: $\begin{matrix} n_{eff}^{cla'} \end{matrix}$ 是变化之后的包层有效折射率。 $\begin{matrix} n_{eff}^{cla'} \end{matrix}$ 的变化是由包层腐蚀和外界折射率变化引起的。当外界折射率变化一样时,随着腐蚀时间延长,包层腐蚀程度增加, $\begin{matrix} n_{eff}^{cla'} \end{matrix}$ 减小,Δn增大,所以光谱的偏移呈现增大的趋势。

本文中使用的PCF包层直径为(125±2) μm,纤芯直径为(9.5±0.5) μm,纤芯外有3层空气孔(图6),呈正六边形结构排列。当腐蚀时间延长到60 min时,由于此时光纤直径过小(约30 μm),当从腐蚀液中取出PCF时,其在液体张力的作用下折断。

图 6. PCF形貌图。(a)腐蚀60 min后的光纤显微镜图;(b)未腐蚀端面图

Fig. 6. Patterns of PCF. (a) Microscope image of fiber after corrosion for 60 min; (b) end face before corrosion

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将由长度2 cm的PCF构成的干涉仪置于30~60 ℃的环境中,研究环境温度对波长偏移的影响。通过图7可以看出,环境温度对于波长偏移的影响很小,说明该干涉仪对温度不敏感。上述实验的折射率均是在室温下测量的,因此温度对实验结果的影响可以忽略。在稳定性方面,需要对光纤结构进行固定,以保证光纤在传感过程中不发生弯曲,避免引入弯曲敏感性,从而保证传感器的工作稳定性。

图 7. 波长偏移量随温度的变化

Fig. 7. Variation of wavelength offset with temperature

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4 结论

利用PCF与单模光纤构建马赫-曾德尔干涉结构,其对外界折射率的灵敏度与传感长度成正比。采用质量分数为40%的HF溶液,通过化学腐蚀的方法减小PCF包层的厚度,研究了由不同长度的PCF构成的马赫-曾德尔干涉仪腐蚀前后的折射率灵敏度变化。结果表明,腐蚀PCF可以提高该干涉结构对外界折射率的灵敏度。当PCF长度一定时,随着腐蚀时间延长,灵敏度呈现增大趋势,但当腐蚀达到一定程度后,会导致光纤直径过小,从而使结构遭到破坏。对于由3 cm的PCF构成的马赫-曾德尔干涉仪,在质量分数为40%的HF溶液中腐蚀40 min后,灵敏度增加了约3倍。在30~60 ℃条件下,环境温度对干涉仪的折射率灵敏度几乎无影响,说明此马赫-曾德尔干涉仪对温度不敏感。通过对腐蚀工艺的优化,可制造出在较宽温度应用范围下灵敏度更高、干涉更为明显的PCF干涉仪。

参考文献

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3.1 不同长度PCF对干涉仪折射率灵敏度的影响

3.2 不同长度的PCF腐蚀前后对干涉仪折射率灵敏度的影响

3.3 PCF腐蚀时间对干涉仪折射率灵敏度的影响

4 结论

黄国家, 马诗章, 王恋, 李仕平, 冯文林. 基于包层腐蚀优化折射率敏感的光子晶体光纤马赫-曾德尔干涉仪[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(17): 170629. Guojia Huang, Shizhang Ma, Lian Wang, Shiping Li, Wenlin Feng. Photonic Crystal Fiber Mach-Zehnder Interferometer Based on Refractive Index Sensitivity of Cladding Corrosion Optimization[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2019, 56(17): 170629.

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1 引言

2 实验系统与步骤

2.1 腐蚀装置

图 1. 腐蚀装置示意图

Fig. 1. Diagram of corrosion device

2.2 实验步骤

3 实验结果与讨论

3.1 不同长度PCF对干涉仪折射率灵敏度的影响

表 1. 由不同长度的PCF构成的干涉仪的折射率灵敏度

Table 1. Refractive index sensitivity of PCF with different lengths

图 2. 由2 cm长的PCF构成的干涉仪对外界折射率的灵敏度。(a)波长偏移图;(b)波长偏移拟合图

Fig. 2. Sensitivity of 2 cm PCF to external refractive index. (a) Image of wavelength shift; (b) fitting image of wavelength shift

图 3. 不同长度的PCF与干涉仪折射率灵敏度的关系

Fig. 3. Relationship between sensitivity and length of PCF

3.2 不同长度的PCF腐蚀前后对干涉仪折射率灵敏度的影响

图 4. 由腐蚀20 min的3 cm PCF构成的干涉仪对外界折射率的灵敏度。(a)波长偏移图;(b)波长偏移拟合图

Fig. 4. Sensitivity of interferometer with 3 cm PCF to external refractive index after corrosion for 20 min. (a) Image of wavelength shift; (b) fitting image of wavelength shift

表 2. 由长度3 cm的腐蚀前后的PCF构成的干涉仪对外界折射率的灵敏度

Table 2. Sensitivity of interferometer with 3 cm PCF to external refractive index before and after corrosion

3.3 PCF腐蚀时间对干涉仪折射率灵敏度的影响

图 5. 由未腐蚀的3 cm PCF构成的干涉仪在不同NaCl溶液中的折射率灵敏度

Fig. 5. Refractive index sensitivity of interferometer with 3 cm PCF in NaCl solution before corrosion

表 3. 3 cm PCF在不同腐蚀时间下的光谱数据

Table 3. Spectral data of 3 cm PCF with different corrosion time

图 6. PCF形貌图。(a)腐蚀60 min后的光纤显微镜图;(b)未腐蚀端面图

Fig. 6. Patterns of PCF. (a) Microscope image of fiber after corrosion for 60 min; (b) end face before corrosion

图 7. 波长偏移量随温度的变化

Fig. 7. Variation of wavelength offset with temperature

4 结论

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基于包层腐蚀优化折射率敏感的光子晶体光纤马赫-曾德尔干涉仪 下载： 1168次

1 引言

2 实验系统与步骤

2.1 腐蚀装置

图 1. 腐蚀装置示意图

Fig. 1. Diagram of corrosion device

2.2 实验步骤

3 实验结果与讨论

3.1 不同长度PCF对干涉仪折射率灵敏度的影响

表 1. 由不同长度的PCF构成的干涉仪的折射率灵敏度

Table 1. Refractive index sensitivity of PCF with different lengths

图 2. 由2 cm长的PCF构成的干涉仪对外界折射率的灵敏度。(a)波长偏移图;(b)波长偏移拟合图

Fig. 2. Sensitivity of 2 cm PCF to external refractive index. (a) Image of wavelength shift; (b) fitting image of wavelength shift

图 3. 不同长度的PCF与干涉仪折射率灵敏度的关系

Fig. 3. Relationship between sensitivity and length of PCF

3.2 不同长度的PCF腐蚀前后对干涉仪折射率灵敏度的影响

图 4. 由腐蚀20 min的3 cm PCF构成的干涉仪对外界折射率的灵敏度。(a)波长偏移图;(b)波长偏移拟合图

Fig. 4. Sensitivity of interferometer with 3 cm PCF to external refractive index after corrosion for 20 min. (a) Image of wavelength shift; (b) fitting image of wavelength shift

表 2. 由长度3 cm的腐蚀前后的PCF构成的干涉仪对外界折射率的灵敏度

Table 2. Sensitivity of interferometer with 3 cm PCF to external refractive index before and after corrosion

3.3 PCF腐蚀时间对干涉仪折射率灵敏度的影响

图 5. 由未腐蚀的3 cm PCF构成的干涉仪在不同NaCl溶液中的折射率灵敏度

Fig. 5. Refractive index sensitivity of interferometer with 3 cm PCF in NaCl solution before corrosion

表 3. 3 cm PCF在不同腐蚀时间下的光谱数据

Table 3. Spectral data of 3 cm PCF with different corrosion time

图 6. PCF形貌图。(a)腐蚀60 min后的光纤显微镜图;(b)未腐蚀端面图

Fig. 6. Patterns of PCF. (a) Microscope image of fiber after corrosion for 60 min; (b) end face before corrosion

图 7. 波长偏移量随温度的变化

Fig. 7. Variation of wavelength offset with temperature

4 结论

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