External stabilization of CO2-laser radiation by means of i-semiconductor absorption

The stabilization of CO2-laser radiation (or other high power radiation in the spectral region of about 5 to 50 μm wavelength) can be realized by the free carrier absorption of intrinsic semiconductors. This effect is due to the increasing free carrier concentration with increasing temperature. In this way the free carrier absorption reduces the transmitted radiation-flux density if the input power of radiation rises and therefore we have a corresponding increasing temperature. This “stabilization filter” works without any outer control mechanism as a passive optical device. The paper states the theoretical background of the control characteristic as well as the experimental parameters for the realized example. At a laser power of about 7 W the output power is typically 1.2 W with a stabilization factor of 1:30 and a time constant of about 1.0 s. Semiconductors as i-germanium and i-InSb, respectively, are used as filter materials. Die Stabilisierung von CO2-Laserstrahlung (oder anderer entsprechend intensiver Strahlung im Spektralbereich von etwa 5 bis 50 μm Wellenlange) kann erreicht werden durch Ausnutzung der Absorption freier Ladungstrager von eigenleitenden Halbleitern. Dies gelingt aufgrund der mit der Temperatur ansteigenden Tragerkonzentration. Auf diese Weise reduziert die Absorption der freien Ladungstrager die transmittierte Strahlungsflusdichte, wenn die einfallende Strahlungsleistung und damit die Temperatur ansteigt. Dieses „Stabilisierungsfilter” arbeitet ohne jeden auseren Regelmechanismus als passives optisches Bauelement. Die Arbeit stellt den theoretischen Hintergrund der Regelcharakteristik dar und gibt die experimentellen Parameter eines realisierten Beispiels an. Bei einer Laserleistung von etwa 7 W betrug die Ausgangsleistung typisch 1,2 W bei einem Stabilisierungsfaktor von 1:30 und einer Zeitkonstanten von etwa 1,0 s. Als Halbleiter fanden sowohl i-Germanium als auch i-InSb Verwendung.