激光器激励原理
固体激光器原理及应用
固体激光器原理及应用固体激光器是一种使用固态材料作为工作介质，利用吸收外部能量激发材料内部电子跃迁产生激光的器件。
其原理基于材料内部的电子能级结构，通过能量输入使电子能级发生跃迁，产生一束高强度、窄谱线、准单色的激光束。
固体激光器具有激光输出稳定、寿命长、重复频率高、输出功率大等优点，因此在许多领域有着广泛的应用。
固体激光器的工作原理可以分为三个基本步骤：激发、放大和输出。
首先，通过能量输入使材料内部的电子从基态跃迁至激发态，形成一个激发态的粒子团。
其次，通过适当的增益介质，激发态粒子发生受激辐射过程，产生激光并且放大。
最后，通过激光输出装置将激光束从增益介质中输出。
固体激光器的工作介质一般是由具有合适外加激励源的能级结构的晶体或玻璃组成。
常用的材料有Nd:YAG（氧化钇铝铈钕）、Nd:YLF（钇铝石榴石）、Nd:YVO（钇钕钒酸盐）和Ti:sapphire（蓝宝石）等。
这些材料具有良好的耐热性、光学性能和谐振特性。
固体激光器的应用相当广泛。
在科学研究领域，固体激光器常用于物理、化学、生物学等学科中的实验室研究。
其高可靠性和稳定性使其成为激光生物学、光谱学和光物理学等领域的基础工具。
此外，固体激光器在通信领域也有着重要的地位。
特别在光纤通信系统中，固体激光器可以作为光源产生高质量的激光信号，用于传输和接收数据。
固体激光器还在制造业中得到广泛应用。
例如，固体激光器在激光切割、焊接和打标等加工过程中发挥着重要角色。
其高功率和高能量脉冲使其成为材料切割和焊接的理想工具。
此外，固体激光器还可以应用于材料精细处理、纳米加工和激光显微技术等领域，为制造业提供了更加高效和精确的加工手段。
此外，固体激光器还用于医疗领域。
例如，激光手术中使用的激光刀就是一种固体激光器。
固体激光器可以提供高能量和高精确性的激光束，用于切割、热凝固和热疗等医疗操作。
它在眼科手术、皮肤整形和癌症治疗等领域中有着广泛应用。
总之，固体激光器以其稳定的输出功率、高效的能量转化和丰富的应用领域而受到广泛关注和应用。
q激光的原理
q激光的原理
激光的原理是通过受激辐射实现的。
激光是由一束相干光组成的，而相干光是指具有相同频率、相位和方向的光波。
激光的产生基于受激辐射现象，受激辐射是指一个光子与已经存在的一个处于激发状态的原子或分子相互作用后，使该原子或分子从激发态跃迁到基态，并放出一个与原光子具有相同频率、相同方向和相同相位的新光子。
激光的发射是通过三个过程实现的：吸收、激发和辐射。
首先，外部能量的输入被吸收，使得光源中的原子或分子激发到激发态。
然后，在光源中激发态的原子或分子受到外界的激励，使它们跃迁回基态，释放出一个光子。
最后，释放出的光子经过增强，与已经存在的光子相互作用，进一步产生更多的受激辐射，形成一个强大的激光束。
激光的增强过程是通过光源中的增强器实现的。
增强器通常是由具有光放大特性的物质构成的。
在增强器中，光子与激发态的原子或分子相互作用，导致受激辐射现象发生。
这样，激光在增强器中不断增强，从而形成了一束强大的激光束。
激光的性质与其相干性、单色性、方向性和高强度密切相关。
激光具有高度的相干性，光波的相位关系非常稳定，使得激光束能够保持在一个狭窄的光束中传播。
激光也具有很高的单色性，只包含非常狭窄的频率范围内的光波。
此外，激光束具有很强的方向性，即能量被高度集中在一个狭窄的角度范围内。
最后，激光的强度非常高，激光束能够携带大量的能量，并且
在很短的距离内保持高强度。
综上所述，激光的原理是利用受激辐射现象，在特定的条件下产生一束相干、单色、方向性和高强度的光波。
激光原理第九章
2．半导体激光二极管激励 用波长与激光工作物质吸收波长相匹配的激光作激励光源将大大提高激光器效率。
Nd：YAG宽约30nm的810nm泵浦吸收带中含合多条吸收谱线，809nm的半导体激光二极管输出光泵 浦可以准确地对准此吸收带中带宽约2nm的809nm吸收谱线。半导体激光二极管激励的固体激光器的总 效率为7％—20％。
CO2激光器的谐振腔大多采用平凹腔，由于其增益高．也可采用非稳腔以增加其模体积。
高反射镜可用金属制成，也可在玻璃表面镀以金膜，输出端可采用小孔耦合方式或由可透 过红外光的Ge、GaAs等材料制成输出窗。
1、纵向慢流CO2激光器 气体从放电管一端流入，另一端抽走，气流、电流和光轴方向一致。气流目的是排除CO2与电子碰
一、光泵激励 光激励又可分为气体放电灯激励和半导体激光器激励两种方式。 1、气体放电灯激励
以气体放电灯为激励光源是广为采用的激励方式，脉冲激光器采用脉冲氖灯，连续激光器 采用氖灯或碘钨灯。
气体放电灯激励的能量转换环节多，其辐射光谱很宽、只有一部分能量分布在激光工作物质的有效 吸收带内，通常L约为15％，激光器的效率较低，常用的Nd：YAG激光器的效率约为1％—3％
有小型化、全固态、长寿命及热效应小等优点。单个半导体激光器功率已越过1w，半导体激光器列阵 功率达数百瓦。
工作物质的泵浦吸收谱线和已有大功率半导体激光器发射波长匹配是构成半导体激光器泵浦的固 体激光器的必要条件。适于构成此类激光器的固体工作物质有Nd：YAG，Nd：YVO4，Nd：YLF， Tm、Ho：YAG。为了使波长准确匹配，对半导体激光器的温度加以控制。
钕玻璃的荧光寿命长，易于积累高能级粒子。容易制成光学均匀性优良的大尺寸材料，可用 于大能量大功率激光器。
输出能量已达上万焦耳。荧光线宽较宽，适于制成锁模器件，钕玻璃锁模激光器可产生脉 宽小于1ps的超短光脉冲。钕玻璃的热导率低，振荡阈值又较高，因此不宜用于连续和高重 复率运转。
激光器电路原理
激光器电路原理
激光器电路的工作原理是通过激发一定的材料，使其产生激光。
激光器电路通常由四个部分组成：激发电路、放大电路、瞬变保护电路和调制电路。
激励电路是激励激光器材料的电路。
在激光器材料中注入电流或放电电压，以激发原子或分子的粒子运动。
当它们跃迁到低能级状态时，它们会放出激光。
放大电路或增益电路用于将激发电流或电压放大到足以产生激光的水平。
激光信号通过高品质放大器被放大。
瞬变保护电路用于保护激光器电路免受瞬变电压的影响。
在激光器操作时，设备可能会遭遇意外的过压情况，因此瞬变保护电路是必不可少的电路部分。
调制电路用于改变激光器信号的相位、幅度和频率。
这可以实现对激光器信号的控制和调节，主要用于激光器在通信、测量和精密加工等领域的应用中。
说明激光器工作原理
说明激光器工作原理激光器工作原理。
激光器是一种利用激光放大的装置，它能够产生一束高度集中的光束，具有高能量和高单色性。
激光器在许多领域都有着广泛的应用，比如医疗、通信、材料加工等。
它的工作原理是通过激发原子或分子，使其处于激发态，然后在这些激发态的粒子之间引发光子的放大过程，最终形成一束高度聚焦的激光束。
激光器的工作原理可以分为三个主要步骤，激发、增益和反射。
首先，激发步骤是通过给予激光介质能量的方式，使得原子或分子处于激发态。
这通常可以通过电子激发、光子激发或化学激发来实现。
一旦原子或分子处于激发态，它们就会具有一定的能量，可以通过与其他激发态的粒子相互作用来引发光子的发射。
接下来是增益步骤，这一步骤是通过在激发态的原子或分子之间引发光子的发射，从而实现光子的放大。
这通常是通过将激发态的粒子置于一个光学共振腔中来实现的。
在共振腔中，光子会不断地在激发态的粒子之间反复传播，从而引发更多的光子的发射，最终形成一束高度聚焦的激光束。
最后是反射步骤，这一步骤是通过在激光介质的两端放置反射镜，使得激光束在介质内不断地来回反射，从而增强激光束的能量和聚焦度。
一旦激光束被反射镜反射出来，它就可以被用于各种应用，比如在医疗领域用于手术、在通信领域用于光纤通信、在材料加工领域用于激光切割等。
总的来说，激光器的工作原理是通过激发、增益和反射三个主要步骤来实现的。
通过这些步骤，激光器能够产生一束高度聚焦的激光束，具有高能量和高单色性，从而在各种领域都有着广泛的应用。
随着激光技术的不断发展，相信激光器在未来会有更加广阔的应用前景。
激光器的分类介绍
激光器的分类介绍激光器是一种能够产生具有高度一致性和同步性的激光光束的器件。
根据激光器的工作原理、激光器的波长、激光器的应用领域等不同方面的分类，下面将对激光器进行详细的介绍。
一、根据激光器的工作原理进行分类1.固体激光器：固体激光器是利用外部能量源（例如闪光灯、激光二极管）激励激光介质（例如Nd:YAG、Nd:YVO4）产生激光的一种激光器。
固体激光器具有高效率、高能量、高品质光束等特点，在军事、医学、科研等领域有广泛的应用。
2.气体激光器：气体激光器是利用放电激励稀薄气体分子产生粒子数密度高、能级分布宽的激光介质，然后通过光学共振腔将产生的激光进行放大和聚束。
常见的气体激光器有氦氖激光器、CO2激光器等，广泛应用于科研、测量、医学和工业等领域。
3.半导体激光器：半导体激光器是利用半导体材料在电流或者注入光子的作用下产生受激辐射所形成的激光。
其特点是体积小、效率高、功率低、寿命短等，被广泛应用于光通信、激光打印、激光显示等领域。
4.液体激光器：液体激光器采用液体介质作为激光介质进行激光产生。
液体激光器相比固体激光器和气体激光器具有较高的能量、频率较宽、调谐范围较大等特点，在科研和工业领域有着广泛的应用。
二、根据激光器的波长进行分类1.可见光激光器：可见光激光器产生的激光波长在400~700纳米之间，能够被人眼所感知。
可见光激光器广泛应用于激光显示、激光打印、激光医学等领域。
2.红外激光器：红外激光器产生的激光波长在700纳米到1毫米之间，是不可见光。
红外激光器在通信、材料加工、医学、军事等领域有广泛的应用。
3.紫外激光器：紫外激光器产生的激光波长在10纳米到400纳米之间，也是不可见光。
紫外激光器在微加工、光致发光、光解离等领域有重要的应用。
三、根据激光器的应用领域进行分类1.医学激光器：医学激光器广泛应用于激光治疗、激光手术等医学领域，例如激光照射可以刺激细胞增殖、促进伤口愈合，还可以用于激光石化术、激光治疗静脉曲张等。
激光器的工作原理
激光器的工作原理一．光学谐振腔结构与稳定性激光是在光学谐振腔中产生的。
它的主要功能之一是使光在腔内来回反射多次以增长激活介质作用的工作长度，提高腔内的光能密度。
显而易见的是，不垂直于反射镜表面的傍轴光线经过有限次的反射就会投射到平面镜的通光口径之外，而使得激活介质作用的工作长度只得到很有限的增长。
所以，光线能够在谐振腔中反射的次数与其结构密切相关。
能够使腔中任一束傍轴光线经过任意多次往返传播而不逸出腔外的谐振腔能够使激光器稳定地发出激光，这种谐振腔叫做稳定腔，反之称为不稳定腔。
我们讨论光学谐振腔的结构与稳定性的关系。
1.共轴球面谐振腔的稳定性条件光学谐振腔都是由相隔一定距离的两块反射镜组成的。
无论是平面镜还是球面镜，无论是凸面镜还是凹面镜，都可以用“共轴球面”的模型来表示。
因为只要把两个反射镜的球心连线作为光轴，整个系统总是轴对称的，两个反射面可以看成是“共轴球面”。
平面镜是半径为无穷大的球面镜。
如果其中一块是平面镜，可以用通过另一块球面镜球心与平面镜垂直的直线作为光轴。
平行平面腔的光轴则可以是与平面镜垂直的任一直线。
当然两个平面镜不平行不能产生谐振，不在讨论之列。
图（2-1）共轴球面腔结构示意图如图（2-1）所示，共轴球面腔的结构可以用三个参数来表示：两个球面反射镜的曲率半径R1、R2，和腔长即与光轴相交的反射镜面上的两个点之间的距离L。
如果规定凹面镜的曲率半径为正，凸面镜的曲率半径为负，可以证明共轴球面腔的稳定性条件是111021≤⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-≤R L R L （2-1） 上式左边成立的条件等价于⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-11R L 和⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-21R L 同时为正或同时为负，这就要求两镜面的曲率半径为正时必须同时大于腔长或同时小于腔长。
如果镜面的曲率半径同时为负，尽管上式左边成立，右边的不等式却不成立。
如果镜面的曲率半径一正一负，则需要具体讨论。
2.共轴球面腔的稳定图及其分类为了直观起见,常用稳定图来表示共轴球面腔的稳定条件。
2激光器的工作原理
1.
2.
3.
有效地控制腔内实际振荡的模式数目，获得单色性 好、方向性强的相干光 可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小、 谐振频率及光束发散角 可以控制腔内光束的损耗，在增益一定的情况下能 控制激光束的输出功率
l3
q
l2
折叠腔
l1
谐振腔作用：提供光学正反馈，控制光束特征 (模式,功率,光斑)
2.光腔的两种理论方法
• 衍射理论: 不同模式按场分布,损耗, 谐振频率来区分, 给出 不同模式的精细描述, 适用菲涅尔数不大, 衍射效应明显 • 几何光学+干涉仪理论: 忽略反射镜边缘引起的衍射效应,
不同模式按传输方向和谐振频率来区分, 粗略但简单明了
谐振腔的使用特点（1）可使输出光有良好的方向性。（2） 限制模式和选择频率的作用。
§2.1 谐振腔
1.腔的构成与分类
(a) 闭腔 (b) 开腔 介质波导腔
另：折叠腔、环形腔 复合腔－腔内加入其它光学元件，如透镜，F－P标准具等 按谐振腔的几何逸出损耗分类：稳定腔，非稳定腔，临界腔
一般要求上能级 E 2的自发辐射寿命大于下能级E 1的自发辐 射寿命，而且根据跃迁选择定则，该两能级之间的辐射跃迁 是被允许的，同时辐射的频率 （E2 E1） / h 适合我们的 要求。
２． 泵浦源（激励源） 采用一定的激励方式和激励装置。 根据工作物质 特性和运转条件的不同，采用不同的方式和装置， 提供的泵浦源可以是光能、电能、化学能及原子能 等。 激励源的选择取决于工作物质的特点。因而不 同工作物质往往需要不同的泵浦源。如对固体激光 器一般采用脉冲氙灯、碘钨灯等光激励的办法，对 气体激光器则用电激励方法，通过放电直接激励工 作物质。此外激励源的选择也应考虑到激励效率等 问题。
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激光器激励原理—固体激光器1311310黄汉青1311343张旭日辅导老师：摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。
介绍固体激光器的工作原理及应用，更能够加深对其的了解。
本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，接着介绍一些典型的固体激光器，最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。
关键词：固体激光器基本原理基本结构应用1引用世界上第一台激光器—红宝石激光器（固体激光器）于1960年7月诞生了，距今已有整整五十年了。
在这五十年时间里固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃，并且对人类社会产生了巨大的影响。
固体激光器从其诞生开始至今，一直是备受关注。
其输出能量大，峰值功率高，结构紧凑牢固耐用，因此在各方面都得到了广泛的用途，其价值不言而喻。
正是由于这些突出的特点，其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用，给我们的现实生活带了许多便利。
未来的固体激光器将朝着以下几个方向发展：a)高功率及高能量b)超短脉冲激光c)高便携性d)低成本高质量现在，激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域，它标志着新技术革命的发展。
诚然，如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比，你不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段，更令人激动的美好前景将要来到。
2激光与激光器2.1激光2.1.1激光（LASER）激光的英文名——LASER，是英语词组Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射的光放大）的缩写[1]。
2.1.2产生激光的条件产生激光有三个必要的条件[2]：1)有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；2)有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转；3)有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。
3固体激光器3.1工作原理和基本结构在固体激光器中，由泵浦系统辐射的光能，经过聚焦腔，使在固体工作物质中的激活粒子能够有效的吸收光能，让工作物质中形成粒子数反转，通过谐振腔，从而输出激光。
如图1所示,固体激光器的基本结构（有部分结构没有画出）。
固体激光器主要由工作物质、泵浦系统、聚光系统、光学谐振腔及冷却与滤光系统等五个部分组成[4]。
图1 固体激光器的基本结构1)工作物质工作物质——激光器的核心，是由激活粒子（都为金属）和基质两部分组成，激活粒子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性，基质主要决定了工作物质的理化性质。
根据激活粒子的能级结构形式，可分为三能级系统（例如红宝石激光器）与四能级系统（例如Er：YAG激光器）。
工作物质的形状目前常用的主要有四种：圆柱形（目前使用最多）、平板形、圆盘形及管状[5]。
2)泵浦系统泵浦源能够提供能量使工作物质中上下能级间的粒子数翻转，目前主要采用光泵浦。
泵浦光源需要满足两个基本条件：有很高的发光效率和辐射光的光谱特性应与工作物质的吸收光谱相匹配。
3)聚光系统聚光腔的作用有两个[6]：一个是将泵浦源与工作物质有效的耦合；另一个是决定激光物质上泵浦光密度的分布，从而影响到输出光束的均匀性、发散度和光学畸变。
工作物质和泵浦源都安装在聚光腔内，因此聚光腔的优劣直接影响泵浦的效率及工作性能。
如下图3所示为椭圆柱聚光腔，是目前小型固体激光器最常采用的。
图3 椭圆柱聚光腔4)光学谐振腔光学谐振腔由全反射镜和部分反射镜组成，是固体激光器的重要组成部分。
光学谐振腔除了提供光学正反馈维持激光持续振荡以形成受激发射，还对振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光的高单色性和高定向性。
最简单常用的固体激光器的光学谐振腔是由相向放置的两平面镜（或球面镜）构成。
5)冷却与滤光系统冷却与滤光系统是激光器必不可少的辅助装置。
固体激光器工作时会产生比较严重的热效应，所以通常都要采取冷却措施。
主要是对激光工作物质、泵浦系统和聚光腔进行冷却，以保证激光器的正常使用及器材的保护。
冷却方法有液体冷却、气体冷却和传导冷却，但目前使用最广泛的是液体冷却方法。
要获得高单色性的激光束，滤光系统起了很大的作用。
滤光系统能够将大部分的泵浦光和其他一些干扰光过滤，使得输出的激光单色性非常好。
3.2 典型的固体激光器3.2.1 红宝石激光器（+3Cr :32O Al ）红宝石是由蓝宝石（32O Al ）中掺入少量的氧化铬（23Cr O ）而形成。
红宝石激光器的工作物质是+3Cr :32O Al ，其中，32O Al 作为基质晶体，+3Cr 是发光的激活粒子，光谱特性与+3Cr 的能级结构有关，它是三能级系统。
如下图4所示为红宝石晶体+3Cr 能级图[7]。
在室温情况下，红宝石激光器一般输出694.3nm 的红光。
红宝石激光器的有一些非常突出的优点：机械强度好，高功率密度，大尺寸晶体，亚稳态寿命长，高能量单模输出。
当然也有一些很明显的缺点：阈值高，温度效应明显。
所以只能在低温下连续与高重复率运行。
3.3 固体激光器的优缺点固体激光器主要优点：1) 输出能量大，峰值功率高。
在固体激光器中，由于中心粒子的 能级结构，能够输出大能量，并且峰值功率高。
这个是固体激光器非常突出的优点。
2) 结构紧凑耐用，价格适宜。
和其他类型的激光器相比，固 体激光器的结构非常简单并且非常耐用，同时价格相对适宜。
3) 材料种类数量多。
固体激光器的工作物质的种类非常多，到目 前为止至少有一百多种，而且大有增长的趋势。
大量高性能的材料的出现，是固体激光器的性能进一步的提高。
固体激光器的主要缺点：1)温度效益比较严重，发热量大。
正是由于输出能量大，峰值功率高，导致热效应非常明显，因此固体激光器不得不配置冷却系统，才能保证固体激光器的正常连续使用。
2)转换效率相对较低。
固体激光器的总体效率非常低，例如红宝石激光器的为0.5%~1%左右，YAG激光器的总体效率为1%~2%，在最好的情况下可接近3%。
可见固体激光器的效率提高还有很大的空间。
4固体激光器的应用固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。
它常用于测距、跟踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。
4.1工业制造激光加工是激光系统最常用的应用。
根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。
激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。
包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。
这里我们主要来看看固体激光器的加工应用。
1)激光切割技术激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。
激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。
与传统的板材加工方法相比，激光切割其具有高的切割质量、高的切割速度、高的柔性(可随意切割任意形状)、广泛的材料适应性等优点。
目前常采用1.06 m波长的YAG激光束。
2)激光焊接技术激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。
由于其独特的优点，已成功地应用于微小型零件焊接中。
与其它焊接技术比较，激光焊接的主要优点是：激光焊接速度快、深度大、变形小，能在室温或特殊的条件下进行焊接，焊接设备装置简单[16]。
5结束语固体激光器是以掺杂的玻璃、晶体或透明陶瓷等固体材料为工作物质的激光器。
从世界上第一台激光器发明至今，固体激光技术取得了很大的发展，主要表现三个方面：第一是工作物质不断改进。
最初是红宝石激光器，后来出现了钕玻璃和掺钕钇铝石榴石激光器，现在又有了掺钕镓钆石榴石激光器。
还有报道称，目前出现了以陶瓷为基质的新型激光材料。
第二是泵浦光源的改进。
最初是闪光灯，后来发展为弧光灯，现在出现了高功率激光二极管泵浦。
第三是工作物质结构的改变。
从最初的棒式结构发展成板条式，又到后来的光纤式结构。
固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化，包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作物质，提高激光器的转换效率，增大输出功率，改善光束质量，压缩脉冲宽度，提高可靠性和延长工作寿命等。
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