[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：

1. 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。
2. 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：

1. o光（Ordinary光，寻常光）
   • 遵循斯涅尔定律（no​sinθo​=n1​sinθ1​），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）。
2. 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+(no2​tan2θ)/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

1. 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。
2. 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。
3. 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

1. 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。
2. 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。
3. 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

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）。