让大海五彩斑斓的光学魔法

高辉

“大海是什么颜色？”几乎所有人都会回答“蓝色”。的确，除了偶尔会被天边倒映的朝霞或晚霞染上一抹火红，在天气晴朗的情况下，我们看到的大海都是蔚蓝色的。那么是否有什么神奇的“魔法”，可以让大海不再呈现蓝色，变得五彩斑斓呢（如图1）？

很多人看到图1的第一反应是：“这一定是用电脑软件做的特殊效果吧？”但实际上，这并不是依靠电脑特效制作出的“假照片”，而是在现实世界中拍摄到的自然现象。不少网友在乘坐飞机时，也曾经拍摄到类似的壮丽景象（如图2）。其实这并不是什么电脑特技，多彩的影像背后有坚实的物理学原理支撑，这就是“光学魔法”—偏振成像。

什么是偏振

我们都知道，光是一种波。通常我们所说的“波”其实可以分为两类，其中一类是“纵波”，是指局部物质振荡方向与传播方向平行的波，例如我们熟悉的声波。光波则属于另外一类—横波。我们用手挥动绳子时产生的“绳波”，就是一种典型的横波。在横波传播过程中，物质（例如绳波中的质点或光波中的电场等）局部振荡方向与传播方向相互垂直，这个特殊的振荡方向，就是横波的“偏振”方向。

横波的偏振方向可以通过“检偏器”检测出来，例如对于绳波来说，我们可以制作图3所示的“狭缝”来检测偏振方向。当“检偏器”方向（即狭缝方向）与绳波偏振方向一致时，绳波可以很顺利地通过；但“检偏器”方向与绳波方向相互垂直时，绳波就无法通过。光学研究领域也有类似的“检偏器”，可以让特定偏振方向的光波通过，只是原理会复杂一些。

海面对光的反射

日常人眼看到的光，如太阳光，各个方向上偏振的光强基本一致，没有明显的偏振方向，我们称为“自然光”。水面对太阳光的反射有一定的偏振选择性，某些偏振方向反射得多，某些偏振方向反射得少，广袤海面反射的太阳光就会成为部分偏振光（如图4）。

对于水面反射的部分偏振光，当“检偏器”方向与反射率更高的偏振方向一致时，反射光能够最大限度地通过，反之则会被最大程度削减。例如，在风光摄影中，为了能够减少水面反射光的干扰、更清晰地拍摄水底，摄影师往往会携带一块偏振镜，它能奇迹般地过滤掉水面的反射光（如图5）。

更有意思的是，由于海水会导致一定的色散，即便是在占主导的偏振方向上，不同波长光的反射率也会存在一定差异，反射率最高的那个波长会成为“主波长”。随着入射光角度i的变化，主波长也会发生偏移。20世纪60年代，就有学者以地中海为例，研究了20℃情况下反射光主波长随着入射角变化而变化的曲线。

在使用配备偏振镜的相机进行拍摄时，如果旋转调整偏振镜方向，能够最大程度削减其他光线，让水面的反射光最大程度进入摄影系统。反射光中的主波长会随着入射角度的变化而变化，不同主波长则对应着不同的颜色。让广袤的海面呈现五彩斑斓的梦幻景象，就是利用了这个原理。

偏振成像用途多

偏振成像是一种科研领域常用的光学技术手段，可以用来探测普通相机难以察觉的物理现象。

在遥感技术中，由于不同植物叶片、不同矿物会呈现不同的偏振特性，因此可以通过偏振遥感技术对植物种类、长势进行大规模调查，也可以辅助矿物勘探。

偏振成像在天文学中也非常重要，例如，可利用相关技术进行太阳大气的测量。太阳大气会在磁场作用下产生光谱分裂，其谱线偏振态就与磁场强度直接相关，因此可以利用偏振成像技术对太阳大气进行高精度实时磁场测量。中国科学院光电技术研究所最近研制成功的我國首套2米级太阳望远镜，就在利用这项技术进行重要的研究工作。

很多透明材料，如玻璃、塑料等，在冷却成型过程中会产生应力，一些特定位置则会出现较强的应力积累，这些位置在使用中将会成为材料最脆弱的地方。但由于材料本身是透明的，所以难以直接观察。应力会改变材料的偏振特性，因此通过偏振成像能够方便地观察器件的应力分布，如图6中彩色条纹变化剧烈的位置，就是应力积累较严重的位置。

拍摄五彩斑斓大海的几个“小贴士”

在水面反射产生的部分偏振光中，虽然存在反射率最高的“主波长”，但其反射率比其他波长高不了多少，只是一种非常微弱的占优效应，这点优势很容易被环境中其他光线掩盖。所以即使“主波长”随角度变化是客观存在的物理现象，但观察到这种现象也并不容易。要想拍摄到五彩斑斓的海面，捕捉这种物理现象，需要具备如下几个要素。

第一，天气晴朗。天气晴朗时，太阳光线充足，而且基本可以视作平行光。

第二，要对尽量大的范围进行拍摄。如果是小范围水面，那么水面轻微波动等环境影响会远远大于反射光中“主波长”的影响。对大范围海面拍摄时，则会呈现相对平均化的结果，可减少其他因素干扰。从飞机上进行拍摄，就是个不错的选择。

第三，拍摄时太阳高度要在25°～60°之间，最好位于30°～55°之间。

第四，为相机配备偏振镜。

第五，运气要足够好。就算万事俱备，但海面突然起了奇怪的风，掀起了白色浪花，或是目标拍摄位置突然飘来了大块云朵，那就前功尽弃了。