光的传播速度，相速度，群速度

光的传播速度，相速度，群速度 发布日期: 20050825 浏览次数:1027 jiahzhang : 发表于 20020108.09:28:38 这3个概念我不明白:假如光是在光纤中传播，那么它的传播速度 ，是(c/n),这是高中的时候学物理书上说的。 我又看到群速度:是脉冲包络的传播速度(the pulse envelope moves at the group velocity,names Vg) 那么Vg, c/n有什么区别呢, 我还不知道相速度有什么具体的含义，希望大家帮忙～～ shaben :这个东西傻笨也是一知半解的，傻笨的理解是: 平时在不考虑色散的时候说的从 c/n是指的群速度，严格意义上来说c/n是相速度，但对于相速度来说，应该是指单色光，而在我们实际用的光源中没有单色光，是一“群”单色光的组合，所以实际中都是群速度。 从不严格的角度上说，相速度是相位的速度，可以大于c(因为反常色散区可能n<1)。群速度是能量的速度，是一个包络。 hawk : Vg的定义为: 1/Vg=dβ/dω 由于β=N’k0/c=N’ ω/c 所以得到: Vg=c/Ng’ Ng’为群折射率 N’为模折射率 Ng’=N’+c(dN’/ dω) pupil :相速度是等相面传播的速度。 群速度是等振幅面的传播速度。 在真空中无色散，群速度等于能量传播速度，也等于相速c。 介质中，群速度在色散不太大，能大致保持波形时有意义，也就是包络传播速度，或能量传播速度(远离吸收带的正常色散区)。 在光纤中的群速度就可以看作能量传播速度。 自在02 :我不认为群速度是能量的速度，且把它等同于等振幅面的传播速度。 shaben :傻笨觉得群速度是能量的速度，但谁要说不是，傻笨可不敢和别人强辩，因为傻笨自己没底，不敢说～呵呵 coer :相速是位相的传播速度，群速是能量的传播速度。这在晶体光学里有很详细的推倒呀。 shaben :傻笨的理解是这样的，如果是单色光，能量速度就没有意义了，因为没有单色光，如果有，那么他本身就是一个无限长，没有起点没有终点，怎么有能量速度呢,相速度还是有的。 估计我们任何时候看到的能量速度都是群速度，傻笨是这样理解的，在数学上，一个无限长 第 1 页 共 2 页 坐标轴上，一个光脉冲实际上是很多个无限长的正弦波的组合，注意每个无限长的正弦波的振幅，大家也都知道为什么这些正弦波在组合起来后，只有包络内部有数值，其他部分几乎为零了。这个包络就是光脉冲的数学表达形式了，这个包络的速度也就是Vg，产生这个包络的运动是相速度(相速度,群速度)，如果没有色散，这个包络的传播速度就是c/n，有了色散以后，因为各正弦波的位置错开了，这个包络要变形，这时候不同的波长相速度不同了，只好只有群速度，不定义相速度了。 sophia :sophia认为有效频率范围dw是有关波群的一个重要参量(也就是组成能量包络的光波频率差)。如果媒质没有强烈的色散，一个波群将能传播相当远的距离而不发生显著的“扩散”。只有在这种情况下，才可以认为群速是波群作为一个整体传播的速度，它将代表波能量传播的速度。因此，如果脉冲非常窄(意味着谱很宽)，则在色散较大的介质中传输会很快散开，这时讨论它的群速度是没有意义的。 pupil :虽然群速度经常可以作为能量传播的测度(其实严格地说也就真空中对，其余的要考虑sophia说的有效频率)。但是还是有一些情况无效的。相信大家都学过物理光学，里面说得很清楚，在反常色散区(注意，是折射率意义上的反常)区，也就是与物质吸收有关的区域，群速度是不能代表能量传播速度的，因为可能超过光速或为负。 我还是比较同意shaben的观点。单纯的讨论能量的传播是没有意义的。不管怎么说，能量只是一种信号的一种，它总得小于光速(如果同意相对论)。我认为群速度之所以可以代表能量速度，首先必须能真实地反映某种信号的传播情况。否则，就像色散导致各波长相速不同而使相位传播失真(不再真实地传递前距离点处的相位情况)一样，群速度在吸收区附近由于各波长损耗情况不同而导致振幅面传递的失真，从而不再有信号传递的意义，也就不是能量速度了。我的表达力太差，也不知道大家有没有看懂我的意思。不过以上多半是我的臆断，希望大家批评指正。 另外我学过的晶体光学部分，推导的对象是单色波，得出的是相速与光线速度的关系，没有提及群速，我想应该也没有特殊之处。反正按书上的关系，简化为各向同性时，光线速度等于相速。可能coer学的晶体光学更全，希望能再说明一下。 第 2 页 共 2 页