The Christiansen filter - A centennial retrospective review Part 1. Fundamental principles and applications as monochromator and polarizer

Abstract

The filter devised by Christiansen in 1884 consists of two phases, one of which is dispersed in the other. Christiansen originally used glass grains immersed in an organic liquid, but other combinations were developed later. Such systems are only optically homogeneous for radiation in a narrow band of wavelengths which depends on temperature and pressure. Radiation of other wavelengths are more or less strongly refracted or scattered on passing through the filter because of the differences in refractive index of the two phases. Because chromatic effects arise when visible light traverses such filters, other systems were then investigated in which these effects could be further observed. After reviewing these works, the applications of the Christiansen filter as monochromator are considered, as well as the methods of separating the directly transmitted radiation from the scattered ones, and the spectral properties of such filters. Whilst such filters can easily be replaced by others more convenient to use in the ultraviolet and visible ranges they still have uses in the infrared. After reviewing other applications of the Christiansen filter such as their use as polarizers or thermometers, the numerous theoretical works on the behaviour of the filter are described. The basic model, the assumptions made and the mathematical approximations involved are considered together with experimental tests of the validity of theory. It is shown that, because of the serious difficulties involved in the theoretical treatment of a realistic model of the filter, no equations now exist which are valid over the whole range from visible to ultraviolet and their development in the future is unlikely.

Das von Christiansen 1884 entwickelte Filter besteht aus zwei Phasen, von denen die eine in der anderen verteilt ist. Ursprünglich hatte Christiansen Glasgrieß in eine organische Flüssigkeit eingetragen, später wurden jedoch auch andere Kombinationen verwendet. Solche Systeme sind nur für Strahlung eines schmalen Wellenlängenbereiches, dessen Lage von Temperatur und Druck abhängt, optisch praktisch homogen. Strahlen anderer WeUenlängen werden beim Durchlaufen des Filters wegen der Brechzahldifferenz der beiden Phasen mehr oder weniger stark abgelenkt oder gestreut. Da dadurch beim Eintritt sichtbaren Lichtes in das System wunderschöne Farbeffekte entstehen, wurde zunächst nach weiteren Systemen gesucht, bei denen man diese Effekte länger und deutlicher beobachten konnte. Nach Besprechung der Veröffentlichungen hierzu werden die Anwendungen des Christiansenfilters als Monochromator behandelt, und zwar die verwendeten Systeme, die Methoden zur Trennung von direkter und abgelenkter Strahlung und schließlich die spektralen Eigenschaften solcher Filter. Inzwischen werden sie im sichtbaren und UV-Spektralbereich von anderen Filtern leichterer Handhabung ersetzt, im IR-Bereich konnten sie sich jedoch bis jetzt durchsetzen. Nach Beschreibung der Anwendung der Christiansenfilter als Polarisationsfilter und Thermometer wird auf die zahlreichen theoretischen Arbeiten über seine Wirkungsweise eingegangen. Dabei werden das zugrundegelegte Modell, die eingeführten Voraussetzungen und mathematische Näherungen besprochen sowie die experimentellen Beweise für die Gültigkeit der theoretischen Angaben analysiert. Es zeigt sich, daß wegen der großen Schwierigkeiten, die bei der theoretischen Behandlung eines realistischen Filtermodells auftreten, noch keine Gleichungen existieren, die im gesamten Frequenzbereich vom sichtbaren bis zum UV-Spektrum einschließlich gelten und auch in Zukunft kaum zu erwarten sind.