淺談光學(xué)波動(dòng)中的波動(dòng)概述、波前

本文介紹了光學(xué)波動(dòng)中的波動(dòng)概述、波前等幾個(gè)概念。

波動(dòng)概述

所謂波動(dòng)是指振動(dòng)在空間的傳播形式。波場(chǎng)中每點(diǎn)的物理狀態(tài)隨時(shí)間作周期性的變化，而在每瞬時(shí)，場(chǎng)中各點(diǎn)物理狀態(tài)的空間分布也呈現(xiàn)一定的周期性，因此，我們說(shuō)波動(dòng)具有時(shí)間和空間雙重周期性。同時(shí)伴隨著波的傳播，總有能量的傳輸，這樣，具有時(shí)空雙重周期性的運(yùn)動(dòng)形式和能量的傳播，是一切波動(dòng)的基本特性。

波場(chǎng)的幾何描述通常使用波面和波線(xiàn)的概念。在同一振源的波場(chǎng)中，擾動(dòng)同時(shí)到達(dá)的各點(diǎn)具有相同的相位，這些點(diǎn)的軌跡是一曲面，稱(chēng)為波面（或波陣面）。一般說(shuō)來(lái)波面是三維空間里的曲面族。波面為球面的叫做球面波(圖1-1（a）)，波面為平面的波，叫平面波（圖1-1（b））。

我們?cè)O(shè)想在波場(chǎng)中給出一線(xiàn)族，它們每一點(diǎn)的切線(xiàn)方向代表該點(diǎn)波擾動(dòng)的傳播的方向（或代表能量流動(dòng)的方向）。這樣的線(xiàn)族，稱(chēng)為波線(xiàn)，在各向同性媒質(zhì)中，波線(xiàn)總是與波面正交的。所謂“光線(xiàn)”就是光波的波線(xiàn)。在各向同性媒質(zhì)中情況比較復(fù)雜，波線(xiàn)與波面一般不是正交。

波前的概念

“波前”一詞，常指一個(gè)等相面（波面）。一列波攜帶著許多信息，如頻率ω波長(zhǎng)λ和傳播方向以及振幅分布、位相分布、傳播速度等等。對(duì)于單色的定態(tài)波場(chǎng)，這些信息全部包含在三維的復(fù)振幅分布函數(shù)中了。然而通常光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)元件只和波場(chǎng)中某個(gè)波前打交道，也就是說(shuō)，與它有關(guān)的只是這個(gè)波前上的信息。至于波前上各種信息中哪些能被接收，或引起什么效果，都取決于接收器件的性能。

波的迭加原理

一列波在空間傳播時(shí)，在空間的每一點(diǎn)都引起振動(dòng)。當(dāng)兩列或多列波在同一空間傳播時(shí)，空間各點(diǎn)都參與每列波在該點(diǎn)引起的振動(dòng)。當(dāng)兩列（或多列）波同時(shí)存在時(shí)，在它們的交迭區(qū)域內(nèi)每點(diǎn)的振動(dòng)是各列單獨(dú)在該點(diǎn)產(chǎn)生的，這就是波的迭加原理。所以波的迭加就是空間每點(diǎn)振動(dòng)的合成問(wèn)題。

波的干涉

波的迭加引起了強(qiáng)度的重新分布。這種因波的迭加而引起強(qiáng)度重新分布的現(xiàn)象，叫做波的干涉。

一般可把干涉條件歸納為三條：

其一，頻率相同；

其二，存在相互平行的振動(dòng)分量；

其三，位相差δ（P）穩(wěn)定。

每個(gè)原子或分子先后發(fā)射的不同波列，以及不同原子或分子發(fā)射的各個(gè)波列，彼此之間在位相上沒(méi)有什么聯(lián)系，因此普通光源是不相干的。

審核編輯：黃飛