[光学原理与应用-461]：波动光学 - p光，s光； o光，e光；分别是什么意思，有什么关联？
在光学中，p光、s光与o光、e光是描述光偏振和双折射现象的重要概念，它们分别对应不同的物理场景，但存在内在关联。以下是详细解释：
一、p光与s光：基于入射面的偏振分类
定义：
当光以非零入射角（θ ≠ 0°）射向介质界面时，其电场矢量可分解为两个垂直分量：
- s光（Senkrecht光）
- 德语“垂直”之意，电场矢量垂直于入射面（即包含入射光线和界面法线的平面）。
- 反射和折射时，s光的振幅透射系数（ts）和反射系数（rs）由菲涅耳方程单独计算。
- p光（Parallel光）
- 电场矢量平行于入射面。
- 振幅透射系数（tp）和反射系数（rp）与s光不同，且随入射角变化（如布儒斯特角时rp=0）。
关键特性：
- 偏振方向固定：s光和p光的偏振方向由入射面定义，与介质性质无关。
- 反射/折射差异：在各向同性介质中，s光和p光的折射率相同（ns=np），但透射率不同；在各向异性介质中，两者折射率可能不同。
- 布儒斯特角：当入射角满足 θB=arctan(n2/n1) 时，p光反射率为零，折射光变为完全s偏振（若入射光为自然光）。
二、o光与e光：双折射中的偏振模式
定义：
在各向异性介质（如方解石、石英）中，光会分解为两束偏振方向垂直的线偏振光：
- o光（Ordinary光，寻常光）
- 遵循斯涅尔定律（nosinθo=n1sinθ1），折射率 no 为常数，与传播方向无关。
- 电场振动方向垂直于光的主截面（即包含光轴和传播方向的平面）。
- e光（Extraordinary光，非寻常光）
- 不遵循斯涅尔定律，折射率 ne 随传播方向变化（ne=no/1+(no2tan2θ)/ne′2，其中θ为光轴与传播方向夹角）。
- 电场振动方向在主截面内，且传播速度与o光不同，导致两束光分离（双折射现象）。
关键特性：
- 偏振方向垂直：o光和e光的偏振方向始终相互垂直。
- 速度差异：vo=c/no，ve=c/ne，导致相位差积累（如通过波片后形成椭圆偏振光）。
- 光轴依赖性：当光沿光轴方向传播时，ne=no，双折射消失，o光和e光重合。
三、p/s光与o/e光的关联
- 场景差异
- p/s光：适用于各向同性介质界面（如空气-玻璃界面），描述反射和折射时的偏振分量。
- o/e光：适用于各向异性介质内部，描述双折射效应下的偏振模式。
- 偏振方向的继承性
- 当线偏振光从各向同性介质入射到各向异性介质时：
- 若入射光偏振方向垂直于主截面，则仅激发o光（相当于s光在双折射介质中的对应模式）。
- 若偏振方向在主截面内，则仅激发e光（类似p光在特定条件下的行为）。
- 若偏振方向与主截面成任意角，则同时激发o光和e光，出射光为两束偏振方向垂直的线偏振光。
- 当线偏振光从各向同性介质入射到各向异性介质时：
- 布儒斯特角的扩展
- 在各向异性介质中，布儒斯特角条件需同时考虑o光和e光的折射率差异，导致反射光中可能残留部分e光成分（与各向同性介质不同）。
四、实际应用中的区分与联系
- 偏振器件设计
- 波片：利用双折射晶体（如石英）的o/e光相位差，将线偏振光转为圆偏振光（1/4波片）或调整偏振方向（1/2波片）。
- 偏振分束器：结合各向同性介质的p/s光反射差异（如玻璃堆）或各向异性介质的o/e光分离（如方解石晶体），实现偏振光分离。
- 光学传感与成像
- 应力分析：透明材料内部应力导致各向异性，通过观察o/e光分离图案（如光弹效应）可量化应力分布。
- 偏振显微镜：利用o/e光对各向异性样本（如晶体、生物组织）的差异响应，增强成像对比度。
- 激光与量子光学
- 非线性光学：o/e光在晶体中传播时，因速度不同导致相位匹配条件，影响二次谐波产生（SHG）等非线性过程。
- 量子纠缠：p/s光偏振纠缠态在量子通信中用于密钥分发，而o/e光模式可用于高维量子态编码。
五、总结
| 概念 | 定义场景 | 核心特性 | 关联 |
|---|---|---|---|
| p光 | 各向同性介质界面 | 电场平行于入射面，透射率随角度变化 | 在各向异性介质中，若偏振方向在主截面内，可能对应e光模式 |
| s光 | 各向同性介质界面 | 电场垂直于入射面，反射率与p光不同 | 在各向异性介质中，若偏振方向垂直于主截面，可能对应o光模式 |
| o光 | 各向异性介质内部 | 遵循斯涅尔定律，偏振方向垂直于主截面 | 当线偏振光偏振方向垂直于主截面时，仅激发o光（类似s光在双折射介质中的行为） |
| e光 | 各向异性介质内部 | 不遵循斯涅尔定律，偏振方向在主截面内 | 当线偏振光偏振方向在主截面内时，仅激发e光（类似p光在特定条件下的行为） |
核心结论：
- p/s光与o/e光分别描述不同物理场景下的偏振特性，但均涉及电场方向的垂直分解。
- 在各向异性介质中，p/s光的分类可扩展为o/e光模式，具体取决于偏振方向与主截面的关系。
- 理解两者关联有助于设计偏振控制器件（如波片、偏振分束器）及分析双折射效应（如应力分析、量子光学应用）。