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编者按：半个世纪光电情，披星戴月星辰明。中科院之声与中国科学院光电技术研究所联合开设“流光E彩”科普专栏，讲述生活中的光电科普趣事，传播最生动的光电知识，展示最前沿的光电进展。 “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，变得如下图五彩斑斓呢？ （图片来自网络） 很多人看到这幅照片的第一反应是，“一定是PS的”。但实际上，这并不是依靠电脑特效才能制作出的“假照片”，而是实实在在拍摄到的自然现象。不少网友在乘坐飞机的过程中，也都曾经拍摄到类似的壮丽景象，如下图。 （图片来自网络） 其实这并不是什么电脑特技，而是有着坚实物理学原理支撑，这就是蜗牛君今天为大家介绍的“光学魔法”——偏振成像。 揭秘偏振成像 我们都知道，可以把光看成一种“波”。我们所说的“波”通常可以分为两类，一类是“纵波”，指的是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。 （图片来自网络） 而光波属于另外一类，“横波”。用手挥动绳子时，产生的“绳波”就是典型的横波。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。 （图片为自制） 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，我们可以制作下图所示的“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，绳波可以很顺利的通过；但“检偏器”方向与绳波方向相互垂直时，绳波无法通过。光学上也有类似的“检偏器”，叫做“偏振镜”，可以让特定偏振方向的光波通过，只是原理会复杂一些，但效果上与检测绳波振动方向的狭缝是一样的。 （图片为自制） 我们在电影院看3D电影时，工作人员会给我们一副“大墨镜”，其实就是偏振镜。左右两片镜片允许通过的光的偏振方向恰好相互垂直，如此一来，左右眼就可以分别看到不同的图像，产生强烈的立体感了。 （图片来自网络） 并不神秘的海面光反射 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，某些偏振方向反射的多，某些偏振方向反射的少，广袤海面反射的太阳光就会成为部分偏振光（此过程可以通过菲涅尔方程进行严格定量计算）。为了方便大家理解，我们可以将各个偏振方向按照光强画成不同长度的箭头，原本的“自然光”各个偏振方向光强相等，可以表示为“圆形”；反射的部分偏振光中有些方向光强较强，有些方向光强较弱，可以表示为“椭圆形”，就如下图所示。 （图片为自制） 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（例如上图中反射光椭圆的那个“长轴”方向），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”，故意把方向旋转到反射的部分偏振光的“短轴”方向，奇迹般地过滤掉水面的反射光。 （图片来自网络） 更有意思的是，由于海水存在一定的色散（折射率在不同波长有差异），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”（Dominant Wavelength）。随着入射光角度i的变化，主波长也会发生偏移。上世纪六十年代，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曲线。 来源：中国科学院光电技术研究所 |
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