§§§第一节“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。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。
§§§第二节光功能晶体
在研究光功能材料的发展中，科学家们最早接触到的是各种无机晶体，而且到目前为止，对光功能材料工作机理了解最透彻的仍然是无机晶体。进入20世纪90年代以来，用有机高分子薄膜来代替无机晶体做为光功能材料已成为一种发展趋势，但目前进入实用阶段的还只是无机晶体，高分子膜光功能材料的研究、开发、利用还有许多问题没有解决，仍处于研究阶段。下面我们就着重介绍这种具有光学信息处理功能的无机晶体，它们是普通光学晶体、电光晶体、声光晶体、磁光晶体、激光晶体、非线性晶体、光折变晶体和闪烁晶体。
普通光学晶体
普通光学晶体主要有金属卤化物晶体和高温氧化物晶体。主要用作光学仪器的透过窗口、棱镜透镜、滤光、偏光元件及相位补偿镜等，配置在光的发射、处理和接收部分。近年来，还研制出光纤晶体和光波导用晶体，主要用于光的传输，变换和分支等。当然光学晶体只用在光学玻璃力不能及的特殊场合，因为它比玻璃贵得多。
在金属卤化物晶体中氟化物晶体以具有较宽的透射光谱区而成为佼佼者，它们是优良的紫外和红外透过材料。还有些金属卤化物晶体，可塑性好，可用于传输CO2。
在高温氧化物晶体中，最主要的是Al2O3 晶体，由于它的熔点高，机械强度高、导热性好，物理化学性质稳定等特点，在空间技术中得到广泛的应用。它还可制作永不磨损型各种钟表表面，因而具有很大的潜在市场。水晶是另一种重要的氧化物光学晶体，它不但广泛用于棱镜、透镜和补偿镜，而且在计时、计频、通信导航设备中广泛应用，它的年产量达3000吨，总产值在25 亿美元以上。
电光晶体
在外加电场作用下，晶体的折射率发生变化的现象称为电光效应，具有电光效应的晶体称为电光晶体。这种电光晶体首先是各向异性的，各向异性是许多晶体共有的一种特性，它是指晶体的物理性质在不同方向上是不同的，比如电导率，在一块晶体上横向测量值与纵向测量值就不相等，具有各向异性的电光晶体中，其光折射率在不同方向上是不相等的，光折射率表示的是光在物体中的传播速度与光的真空中传播速度的比值的倒数。我们都知道，光在真空中传播速度是每秒30万公里，但光在水中，在玻璃中的传播速度也是30万公里/秒吗？答案是否定的，光在不同物质中的传播速度是不同的，为了表示物质对光传播速度影响的特性，科学家们把光在物质中传播速度与光在真空中传播速度之比定义为该物质的折射率。通常物质的折射率是不会变化的，可是在电光晶体中，如果施加强电场，就会导致晶体的折射率值的变化，从而使光调制成载有信息的调制光，也就是说，外加强电场电压的不同，透射出光的光强变化不同。这种光强度的变化便是某种信息的载体。
电光晶体的这种性质，可以用来制激光扫描器，光开关以及产生巨脉冲激光，另外它在大屏幕激光显示汉字处理以及光通讯方面具有广泛的应用前途。
声光晶体
当物质受到弹性应力或应变作用时，介质的折射率发生变化，这种由于应力使折射率发生变化的现象称为光弹效应。声音是一种机械波，当超声波在晶体中传播时，晶体内产生弹性应力，使晶体折射率发生周期性变化形成超声光栅，光通过形成超声光栅的晶体时，将产生声光的相互作用，因此声光效应也是一种光弹效应，具有声光效应的晶体就是声光晶体。
声光器件对声光材料的要求是多方面的，但最重要的是具有高的声性能指数和低的声损耗，大多数的声光晶体为可见光波段晶体，这类晶体主要是氧化物，其中最重要的是TeO2 和P6MoO4。TeO2，晶体的声光性能指数远高于其它实用声光材料，但氧化物一般有吸收带，因而对许多红外声光扫描和调制来讲，它是一种比较好的材料。声光器件基本由三部分组成：将高频电功率转换成超声波的换能器，引入声波并与光产生作用的声光材料，吸收声波变成热的吸声材料。最早的声光效应仅用于物理性质的测量，随着激光和超声波技术的发展，声光效应又在光电子学方面得到广泛应用。
由于改变声波的驱动频率便可以改变光从晶体中透射出来的方向，因而可把它制成高速声光偏振器，它主要用于高速印刷系统，由于此系统没有机械运动部分，每秒可印40万个字。此外，它还常用作光调制器。
磁光晶体
当组成晶体的原子内有未被填满的电子时，那么晶体的原子就可能有磁性，这是因为一个电子轨道上可容纳两个自旋方向相反的电子。当原子内部有未被填满的电子时，则电子轨道上就只有一个自旋电子。电子自旋产生一个磁场，由于没有另外一个自旋相反的电子产生磁场去抵消，所以原子就表现出磁性，具有磁性原子的晶体叫磁光晶体。当偏振光被磁性晶体反射或透射后，其偏振状态发生改变，偏振而发生旋转，这叫磁光效应。其中由反射引起的偏振面旋转称克尔效应，而由透射引起的偏振面旋转称法拉第效应。
利用磁光效应可制成具有很高存储密度的计算机存储器和高密度光存储器，磁光晶体在激光系统中可作为快速光开关，调制器以及隔离器，其中应用最广泛的是作为光隔离器。
在磁光晶体中，最有实用价值的是钇铁石榴石（简称YIG），这是由于它的法拉第转角大，在近红外波段透明，晶体的物理化学性能优良，因而在大容量光纤通信和激光隔离器方面起重要作用。
激光晶体
能够辐射出激光的晶体就是激光晶体。激光是指利用工作物质中多数粒子处于激发态，用外界光感应，使所有处于激发态的粒子同时完成受激辐射，发出一束强大的光束。
激光具有良好的方向性，单色性和相干性，由于这些特性，使它在社会各个方面都得到广泛应用。
晶体激光由两部分组成，一部分是作为“发光中心”的激活离子，另一部分是作为激活离子“载体”的基质晶体。基质晶体中最重要的是氧化物晶体，这些晶体具有熔点高，硬度大，导热性能好等独特优点。在它们中间，红宝石和钇铝石榴石（YAG）应用最广泛，还有一种叫“色心”的基质晶体，由于它们的晶格缺陷能吸收某一光谱范围的可见光而呈现某种颜色，从而实现可调谐的激光振荡。
除了传统的晶体激光器外，晶体激光器还向超大型和超小型两个极端方向发展。超大型晶体激光器主要用于激光核聚变、激光同位素分离、激光加工等领域，超小型的晶体激光器主要是指半导体激光器，由于它的泵浦效率高，晶体的热负荷小，激光输出稳定，寿命长，激光器体积小等优点，因此在实际运用上有着巨大的发展前途。
闪烁晶体
当射线或放射性粒子通过某些晶体时，晶体会发出荧光。波段在紫外或可见，这类晶体被称为闪烁晶体，闪烁晶体是单晶，对自己发出的荧光是透明的，它可与光电倍增管耦合，制成晶体闪烁计数器，实现光—光转换功能。
闪烁晶体在核医学、高能物理、核技术、空间物理及石油勘探等领域获得广泛应用，著名的美籍华人科学家诺贝尔物理学奖的获得者丁肇中教授领导建造的LEP-3 正负电子对撞机中的电磁能器就是闪烁晶体。在LEP-3 中，有12000多根BGO 晶体（一种闪烁晶体），总重达12 吨。
目前重要的闪烁晶体有NaI（Tl），CsI（Na）、BGO，BaF2、ZnWO4 等。
其中BGO 晶体的应用发展十分迅速，是当前应用最多的一种闪烁晶体。
非线性光学晶体
非线性这个词语人们一般不很熟悉，开始时常有奇异之感。但是，该词语最近的使用率很高，甚至已成为各学科研究领域的流行话。所谓非线性是指相对于某种物质其输入量、输出量不按比例进行变化。按日常经验，如转动无线电收音机的音量旋钮，开始时对照刻度而使扬声器声音变大（线性领域）。但是，如果过度旋转按钮，声音则不像刻度那样变大，声音就失真了（非线性领域）。光也有这种非线性变化，当对某种材料过度照射强烈的单色光时，在透射光就会出现光强、波长、折射率等方面产生这种非线性现象。
在介绍非线性光学材料之前，我们先了解一下历史上的牛顿光学实验。
很久以前，人们认为太阳光只有一种颜色——白光。英国大科学家牛顿在17 世纪做了一个令人惊奇的实验：他手拿一块用玻璃做的棱镜，在一个黑暗的屋子里，当把棱镜插入由缝隙射进屋子的太阳光束时，在墙壁上便可以看到一条五彩的光带，如天空中出现的彩虹一样：赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫；如果放下棱镜，墙上那条彩虹便消失，恢复原先白色的光斑；再次把棱镜插入光束中去，墙上便又重新出现彩色的光带。牛顿重复了多次实验，每次都得到相同的结果。后来，他把由棱镜“分离”出来的彩色光中的一种色光再通过第二个棱镜，看看这种色光还能不能再分解出彩色光来，他看到的是：彩色光束只是传播方向受到一次折射，而光的颜色不再发生变化，红色光通过之后依然是红色光，绿色光依然还是绿色光，牛顿把每种这样颜色的光叫做“单色光”。牛顿接着又将实验程序倒过来，他发现彩色光通过棱镜会合后又变成了白色。原来，看上去像是白光的太阳光，其实是由许多种单色光组合成的，人们之所以看不到有彩色光，是因为各种单色光在大气中以相同的速度传播，彼此混合，使得我们凭肉眼没有能力把它们分辨出来。当太阳光通过玻璃三棱镜的时候，因为不同颜色的光波在玻璃内的速度不同，例如红色光传播的速度比黄色光快，黄色光又比绿色光快……按照物质的折射率和光波传播速度之间的关系，太阳光在通过棱镜之后出现了分离。此后，许多科学家又做过大量相类似的实验，结果也都和牛顿当年所做的实验结果相同。但是，从来也没有人看到过，单色光还会发生色散现象，除非他在实验时所用的不是真的单色光。
然而，到了20世纪60年代，科学家在用激光束来做物质的色散实验时，牛顿当年企图要想看到的现象终于出现了：颜色很纯的单色光在透过透明物质后，出现彩色，即使通过的不是棱镜，而是平面玻璃板，也会出现不同的色光来，这个奇怪的光学现象就是所谓光倍频现象。
