波面、光线和光束

贡献者： 白玫瑰

　　 研究光，就必须要有发出光的物体，像太阳、灯泡等可以辐射光能的物体称为光源。现实生活中的光源都有着一定大小，光源大小相应会影响到光场光的特性。如果这一影响微乎其微，我们可以将这样的光源抽象成一个几何点，称为点光源。

　　 光源发出的光是一种电磁波，按照波动光学的研究方法，我们可以使用描述电磁波的基本方法来描述光波，比如使用频率、波长和相位等物理量。波动光学中，对于由同一光源发出的单色波（即只有一种频率的光波），把同一时刻相位相同的各点连接起来形成的曲面，即为该光波的波面。对于单色点光源来说，它的波面为球面，光波沿着垂直于球面的方向向外传播（即法线方向），波动光学中把这个方向定义为光波的方向，用波矢量来描述。

　　 光波的传播过程实际上是光能量的传播过程。光能量在空间中的传播用能流密度矢量描述。在各向同性介质中，能流密度矢量与波矢量方向相同，即光波方向代表了能量流动方向。我们可以把这两个矢量对应的方向抽象为一条几何线，这就是几何光学中光线的由来。

　　 按照上述抽象，一个波面可以对应无限条光线，它们构成了一个光线束，即光束。如果光束中光线直接相交于一点，或者它们的反向延长线相交于一点，这样的光束称为同心光束；如果光束中光线均平行，即平行光束。

　　 几何光学中对光传播规律和各常规光学元件成像原理的研究，就是从光线的概念开始的。