讓大海五彩斑斕的光學(xué)魔法

高輝

“大海是什么顏色？”幾乎所有人都會(huì)回答“藍(lán)色”。的確，除了偶爾會(huì)被天邊倒映的朝霞或晚霞染上一抹火紅，在天氣晴朗的情況下，我們看到的大海都是蔚藍(lán)色的。那么是否有什么神奇的“魔法”，可以讓大海不再呈現(xiàn)藍(lán)色，變得五彩斑斕呢（如圖1）？

很多人看到圖1的第一反應(yīng)是：“這一定是用電腦軟件做的特殊效果吧？”但實(shí)際上，這并不是依靠電腦特效制作出的“假照片”，而是在現(xiàn)實(shí)世界中拍攝到的自然現(xiàn)象。不少網(wǎng)友在乘坐飛機(jī)時(shí)，也曾經(jīng)拍攝到類似的壯麗景象（如圖2）。其實(shí)這并不是什么電腦特技，多彩的影像背后有堅(jiān)實(shí)的物理學(xué)原理支撐，這就是“光學(xué)魔法”—偏振成像。

什么是偏振

我們都知道，光是一種波。通常我們所說(shuō)的“波”其實(shí)可以分為兩類，其中一類是“縱波”，是指局部物質(zhì)振蕩方向與傳播方向平行的波，例如我們熟悉的聲波。光波則屬于另外一類—橫波。我們用手揮動(dòng)繩子時(shí)產(chǎn)生的“繩波”，就是一種典型的橫波。在橫波傳播過(guò)程中，物質(zhì)（例如繩波中的質(zhì)點(diǎn)或光波中的電場(chǎng)等）局部振蕩方向與傳播方向相互垂直，這個(gè)特殊的振蕩方向，就是橫波的“偏振”方向。

橫波的偏振方向可以通過(guò)“檢偏器”檢測(cè)出來(lái)，例如對(duì)于繩波來(lái)說(shuō)，我們可以制作圖3所示的“狹縫”來(lái)檢測(cè)偏振方向。當(dāng)“檢偏器”方向（即狹縫方向）與繩波偏振方向一致時(shí)，繩波可以很順利地通過(guò)；但“檢偏器”方向與繩波方向相互垂直時(shí)，繩波就無(wú)法通過(guò)。光學(xué)研究領(lǐng)域也有類似的“檢偏器”，可以讓特定偏振方向的光波通過(guò)，只是原理會(huì)復(fù)雜一些。

海面對(duì)光的反射

日常人眼看到的光，如太陽(yáng)光，各個(gè)方向上偏振的光強(qiáng)基本一致，沒有明顯的偏振方向，我們稱為“自然光”。水面對(duì)太陽(yáng)光的反射有一定的偏振選擇性，某些偏振方向反射得多，某些偏振方向反射得少，廣袤海面反射的太陽(yáng)光就會(huì)成為部分偏振光（如圖4）。

對(duì)于水面反射的部分偏振光，當(dāng)“檢偏器”方向與反射率更高的偏振方向一致時(shí)，反射光能夠最大限度地通過(guò)，反之則會(huì)被最大程度削減。例如，在風(fēng)光攝影中，為了能夠減少水面反射光的干擾、更清晰地拍攝水底，攝影師往往會(huì)攜帶一塊偏振鏡，它能奇跡般地過(guò)濾掉水面的反射光（如圖5）。

更有意思的是，由于海水會(huì)導(dǎo)致一定的色散，即便是在占主導(dǎo)的偏振方向上，不同波長(zhǎng)光的反射率也會(huì)存在一定差異，反射率最高的那個(gè)波長(zhǎng)會(huì)成為“主波長(zhǎng)”。隨著入射光角度i的變化，主波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生偏移。20世紀(jì)60年代，就有學(xué)者以地中海為例，研究了20℃情況下反射光主波長(zhǎng)隨著入射角變化而變化的曲線。

在使用配備偏振鏡的相機(jī)進(jìn)行拍攝時(shí)，如果旋轉(zhuǎn)調(diào)整偏振鏡方向，能夠最大程度削減其他光線，讓水面的反射光最大程度進(jìn)入攝影系統(tǒng)。反射光中的主波長(zhǎng)會(huì)隨著入射角度的變化而變化，不同主波長(zhǎng)則對(duì)應(yīng)著不同的顏色。讓廣袤的海面呈現(xiàn)五彩斑斕的夢(mèng)幻景象，就是利用了這個(gè)原理。

偏振成像用途多

偏振成像是一種科研領(lǐng)域常用的光學(xué)技術(shù)手段，可以用來(lái)探測(cè)普通相機(jī)難以察覺的物理現(xiàn)象。

在遙感技術(shù)中，由于不同植物葉片、不同礦物會(huì)呈現(xiàn)不同的偏振特性，因此可以通過(guò)偏振遙感技術(shù)對(duì)植物種類、長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行大規(guī)模調(diào)查，也可以輔助礦物勘探。

偏振成像在天文學(xué)中也非常重要，例如，可利用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行太陽(yáng)大氣的測(cè)量。太陽(yáng)大氣會(huì)在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生光譜分裂，其譜線偏振態(tài)就與磁場(chǎng)強(qiáng)度直接相關(guān)，因此可以利用偏振成像技術(shù)對(duì)太陽(yáng)大氣進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)磁場(chǎng)測(cè)量。中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所最近研制成功的我國(guó)首套2米級(jí)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡，就在利用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行重要的研究工作。

很多透明材料，如玻璃、塑料等，在冷卻成型過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，一些特定位置則會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的應(yīng)力積累，這些位置在使用中將會(huì)成為材料最脆弱的地方。但由于材料本身是透明的，所以難以直接觀察。應(yīng)力會(huì)改變材料的偏振特性，因此通過(guò)偏振成像能夠方便地觀察器件的應(yīng)力分布，如圖6中彩色條紋變化劇烈的位置，就是應(yīng)力積累較嚴(yán)重的位置。

拍攝五彩斑斕大海的幾個(gè)“小貼士”

在水面反射產(chǎn)生的部分偏振光中，雖然存在反射率最高的“主波長(zhǎng)”，但其反射率比其他波長(zhǎng)高不了多少，只是一種非常微弱的占優(yōu)效應(yīng)，這點(diǎn)優(yōu)勢(shì)很容易被環(huán)境中其他光線掩蓋。所以即使“主波長(zhǎng)”隨角度變化是客觀存在的物理現(xiàn)象，但觀察到這種現(xiàn)象也并不容易。要想拍攝到五彩斑斕的海面，捕捉這種物理現(xiàn)象，需要具備如下幾個(gè)要素。

第一，天氣晴朗。天氣晴朗時(shí)，太陽(yáng)光線充足，而且基本可以視作平行光。

第二，要對(duì)盡量大的范圍進(jìn)行拍攝。如果是小范圍水面，那么水面輕微波動(dòng)等環(huán)境影響會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反射光中“主波長(zhǎng)”的影響。對(duì)大范圍海面拍攝時(shí)，則會(huì)呈現(xiàn)相對(duì)平均化的結(jié)果，可減少其他因素干擾。從飛機(jī)上進(jìn)行拍攝，就是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

第三，拍攝時(shí)太陽(yáng)高度要在25°～60°之間，最好位于30°～55°之間。

第四，為相機(jī)配備偏振鏡。

第五，運(yùn)氣要足夠好。就算萬(wàn)事俱備，但海面突然起了奇怪的風(fēng)，掀起了白色浪花，或是目標(biāo)拍攝位置突然飄來(lái)了大塊云朵，那就前功盡棄了。