Christiansen-Effekt
Englisch: Christiansen effect
Verminderte Lichtstreuung in mehrphasigen Mikrostrukturen bei Wellenlängen, bei denen ihre Brechungsindizes übereinstimmen.
Christiansen-Effekt: wenn Streulicht verschwindet
Der Christiansen-Effekt beschreibt eine starke Verringerung der Lichtstreuung, die auftritt, wenn ein mehrphasiges Material bei einer Wellenlänge beleuchtet wird, bei der die Brechungsindizes seiner Bestandteile gleich werden. Bei dieser Wellenlänge durchdringt das Licht das Material mit minimaler Ablenkung, da es keine Brechungsindex-Gradienten gibt, die es ablenken würden. Der Effekt ist nach Christian Christiansen benannt, der dieses Phänomen erstmals im späten neunzehnten Jahrhundert dokumentierte.
In der Praxis tritt dies in Materialien auf, die aus zwei oder mehr Phasen bestehen, wie Suspensionen von Partikeln in Flüssigkeit, gesinterte Keramiken mit Poren oder Verbundpolymere. Bei den meisten sichtbaren Wellenlängen trifft Licht auf Grenzflächen zwischen Phasen mit unterschiedlichen Brechungsindizes und wird gestreut. Aber bei einer bestimmten Wellenlänge, dem sogenannten Abgleichpunkt, gleichen sich die Brechungsindizes an und die Streuung fällt drastisch ab. Das Material wird bei dieser einen Wellenlänge transparent oder nahezu transparent, bleibt aber im restlichen Spektrum undurchsichtig.
Bedeutung in optischen Systemen
Der Effekt hat industrielle Anwendungen in optischen Fenstern und Filtern. Ingenieure nutzen ihn, um Materialien herzustellen, die bei gewöhnlichem Licht undurchsichtig wirken, aber bei Infrarotwellenlängen transparent werden, oder umgekehrt. Das ist für Wärmebildsysteme und spezialisierte optische Komponenten nützlich. Der Abgleichpunkt ist stark wellenlängenabhängig und verschiebt sich bei Temperaturänderungen, da sich auch die Brechungsindizes selbst mit der Temperatur ändern. Diese Temperaturabhängigkeit macht das Christiansen-Matching sowohl für Kompensationen brauchbar als auch problematisch für Breitband-Anwendungen.
Der Effekt funktioniert am besten, wenn die Größe der streuenden Strukturen vergleichbar mit oder größer als die Lichtwellenlänge ist. Er ist daher am stärksten in Materialien mit Mikrometer-großen Phasen ausgeprägt und nicht in molekularen Dispersionen. Materialien mit sehr kleinen Partikelgrößen oder Nanometer-großen Strukturen zeigen oft reduzierte Christiansen-Effekte, da stattdessen Rayleigh-Streumechanismen dominieren.
Fachleute im Bereich optische Auslegung müssen den Christiansen-Effekt von anderen Transparenzmechanismen unterscheiden. Anders als Filter, die unerwünschte Wellenlängen absorbieren, und anders als homogene transparente Materialien beruhen Christiansen-angepasste Systeme vollständig auf Indexabgleichung. Das bedeutet, der Effekt verschwindet, wenn sich die Phasen entmischen, anders auskristallisieren oder wenn Feuchtigkeit oder Verunreinigungen die Brechungsindizes verändern. Der Abgleichpunkt hängt auch von der genauen Zusammensetzung und Reinheit beider Phasen ab, sodass Fertigungstoleranzen für Geräte, die auf diesem Effekt basieren, entscheidend sind.