八 光学领域中的功能晶体1.“光学魔术”

你想知道信息光学或者光信息处理是怎么回事吗？那么让我们先来看一个有趣的实验，是一个羽毛球拍和它的影子，球拍本身是网络结构，可它的影子却不是网络形的，图中只有经线没有纬线。这可能吗？可能，只要把球拍放在一盏日光灯下就行了。长条形的日光灯，几乎消去了与本身方向垂直的纬线的影子，而只让它同方向的经线成份投射在影子中。

距今 100 多年前，光学家阿贝曾做过一系列寓意深远的实验，为现代信息光学的 发展提供了基础。

首先他把一张类似羽毛球拍的网格—二维光栅放在一块凸透镜前面，用相干光照亮，在透镜后的像平平面上出现了网格的像（图 2）。然后，阿贝先生在透镜后焦面放上一块毛玻璃屏，屏上立即出现一系列排列整齐的二维点阵，中间一个点最亮，周围的点越来越暗。接着，阿贝先生又别出心裁， 在焦平面上放置了一个能够开合的狭缝光阑，于是，这位光学“魔术师”开始表演魔术了。他把狭缝拉开一点点，只让水平的一排光斑通过，像面上就会出现与羽毛球拍影子一样的现象，原先的二维网格光栅只剩下一个沿水平方向排列的一维光栅了；随后，把狭缝转过 90°，此时水平方向的一维光栅又变成了垂直方向的一维光栅（这种现象实际上就可说成是光的偏振了。即一束多维的光束通过一种偏振片，就像那条狭缝光阑作用一样，得到了一束只有一维方向的光束），接下去，阿贝先生又找到了一个照相机光圈代替狭缝，起初稍稍打开光圈，只让中心亮点通过，这时屏上的光栅像消失了，只剩下一片均匀的照明然后将光圈加大，使靠近中心的几个光斑通过，而拦去外周的其它光斑，）立刻二维光栅又奇迹般地出现了，只有这个网格光栅不像实物那样棱角分明。其线条过渡十分圆滑，光强度变化好像正弦曲线一样， 最后把光圈开到最大，毫无疑问，在屏上出现网格的清晰像。如果移去光圈， 而用一根大头针挡掉焦面的中心光斑，会出现一个奇特的现象—衬度对比反转：网格之间透光部分变暗了，丝网却变成一道道明晰的亮线。

在我们平时不十分注意的焦平面上，竟然可以做这么多文章，可见这其实是个不寻常的平面。按照现代信息光学的观点，透镜的后焦面就是光学信号的频谱面成滤波面。前面提到的光斑列阵，代表了物体（网格）的空间频谱，中心点为零频，越向外的点代表的空间频率越高。我们把图像中的均匀背景称为零频，图像中缓慢变化的成份称为低频，而图像的细节及急剧变化的成份称为高频。

这样，在焦面放置不同的光阑，实际上起到了空间频率滤波的作用。水平的狭缝，只让焦面上水平方向的一排亮斑即沿水平方向的一维光栅的谱通过，因此像面上只剩下一维水平光栅；同样垂直的狭缝只让沿垂直方向的一维光栅的谱通过，像面上只呈现一维垂直光栅。这种过滤可称为“方向滤波”， 也叫“光的偏振。”

当光圈口很小，只能通过中心亮斑，这是信号中的零频即有自流分量， 因此呈现一片均匀照明；再加大光圈，出现一个边缘不明晰的网格像，这是因为滤去了高频信息，从而失去了网格的细节与急剧变化的成份之故，这些可称为“低通滤波”，而当用一枚大头针挡掉中心亮斑时，滤去了零频即均

匀照明的成份，图像的亮暗将发生变化，这就是实验中对比度反转的原因， 也就是高频滤波。显然，如果光阑是一个环形光圈，即将起到“带通滤波” 的作用。

在后焦面即频谱片上设置各种滤波器，就可以对信号频谱进行改造，滤掉不需要的信息或噪声，提取或增强有用的信息，最后得到理想的图像或信号。这就是光学信息处理的基本概念。

围绕光学信息处理，便产生了各种作用机理不同的但却都可用来进行光学信息处理的材料。下面，我们就分别介绍这些不同的光功能材料。