光可以看作是一种横电磁波,它具有相互耦合的电场分量和磁场分量。 我们通常考虑的光的偏振特性,是指光波的电矢量大小和方向的变化规律,也就是说,光矢量(一般指电场分量)的大小和方向呈规律变化的光波称为偏振光。
在偏振光的描述中,我们常常会看到两种类型的描述: 第一种,用S光以及P光来描述不同的偏振状态,第二种,用o光以及e光来描述不同的偏振状态。 这些术语广泛应用于光学晶体的研究、激光技术、光通信等领域。 理解它们的区别对深入研究光的传播和偏振特性非常重要。 本文将从光学原理出发,详细解析这二种描述方法的不同。
S光与P光: 相对于参考面的关系
举例而言,如下图所示,一束光照射到入射面上,形成反射和折射,将入射光束与法线所形成的平面定义为入射平面。 P光(德文Parallel的首字母,意为平行的)是偏振方向与入射平面平行的光,而S光(德文Senkrecht的首字母,意为竖直的)是偏振方向与入射平面垂直的光。
一般情况下,自然光在电介质界面上反射和折射时,反射光和折射光都是部分偏振光,只有当入射角为某特定角度时,反射光的偏振态完全是与入射平面垂直的S偏振,折射光的偏振态几乎都是与入射平面平行的P偏振,此时的特定入射角称为布儒斯特角。
通常我们搭建的光路,都会使光束保持相同的高度,入射光和反射光都是和光学平台平行的,因此这里我们可以定义光学平台和入射平面平行,因此,偏振方向竖直的线偏振光为S光,偏振方向水平的线偏振光为P光。 偏振分束立方(PBS)以及偏振平板分束镜是产生P光以及S光的典型器件。
o光与e光: 电场分量的不同
o光(ordinary light)和e光(extraordinary light)是来源于光在各向异性介质(如晶体)中传播时的双折射现象。 所谓双折射,是指当光线通过各向异性晶体材料时,光的传播速度和折射率在不同方向上存在差异,导致光线分裂成两束具有不同传播方向、速度和偏振态的光。 通常,这种现象出现在各向异性晶体中,也就是说,晶体的不同方向上光的折射率不同。 双折射现象常见于如方解石、石英等晶体。
在双折射晶体中,入射光会分裂成两束光: 一束称为“寻常光”(ordinary ray,简称o光),另一束称为“非寻常光”(extraordinary ray,简称e光)。 这两束光的传播速度不同,因此它们的折射角度也不同,从而导致光线分裂开来。
具体而言,o光是指在各向异性材料中,光波的电场振动方向与光波传播方向保持垂直的偏振状态。 对于寻常光,电场的振动方向是固定的,并且与光的传播方向无关。 通常,常光在材料中的传播速度是一个固定的常数,且不受材料折射率变化的影响。
e光则指的是在各向异性材料中,光波的电场振动方向与光波传播方向不再垂直,而是与材料的晶体结构和折射率有关。 e光的传播速度通常会因为材料的各向异性而发生变化。 在晶体中,e光的折射率依赖于光的传播方向和电场方向,这种折射率的变化使得e光比o光更加复杂。
因此,o光和e光的区别主要体现在它们的折射特性和电场方向上。 在各向异性材料中,这两种光的传播方式不同,导致它们具有不同的物理性质。
在光学实验中,我们最常用到与o光e光相关的产品是波片,波片是一个典型的光轴平行于表面的器件,也因此o光和e光传播方向相同,不会造成位置的不同,仅会因为在晶体中的传播速度不同从而产生两束光之间的相位差。
除此之外,常见的晶体偏振棱镜也为利用双折射原理来将o光和e光分开的器件,如格兰·泰勒晶体偏振棱镜、洛匈晶体偏振棱镜、沃拉斯顿晶体偏振棱镜等,这些器件可以将o光和e光分开,从而得到具有一定分离角且偏振方向相互垂直的两束线偏振光。
区分关键点
综上,我们可以清楚地知道,o光和e光是客观存在的两种由于双折射定律而产生的光束,而S光与P光指的是人为定义参考面之后,通过其偏振与该参考面的关系而区分描述的光束。