激光器发出的光与太阳光有何区别？

一提到光，人们会立刻联想到太阳光和电灯光。与收音机用的无线电波一样，光也是一种电磁波，不过它的波长比无线电波的波长短得多，或者说，它的频率比无线电波高得多，如图1-1所示。太阳光和电灯光可以看做是波长在可见光范围内的电磁波的混合体。与此相反，光纤通信使用的激光器发出的光则是单色光，具有极窄的光谱宽度。点光源是只有几何位置而没有大小的光源。在自然界，理想的点光源是不存在的，但是对于均匀发光的小球体，如果它本身的大小和它到观察点的距离相比小得多，我们就可以近似地把它看做点光源。激光器发出的光也可以看做是点光源。光线是光向前传播的一条类似于几何线的直线。有一定关系的一些光线的集合叫光束。

光是一种电磁波，即由密切相关的电场和磁场交替变化形成的一种偏振横波，它是电波和磁波的结合。它的电场和磁场随时间不断地变化，分别用E_x和H_y表示，在空间沿着z方向并与z方向垂直向前传播，这种波称为行波，如图1-2所示。由于电磁感应，当磁场发生变化时，会产生与磁通量的变化成比例的电场；反过来，电场的变化也会产生相应的磁场。并且E_x和H_y总是相互正交传输。最简单的行波是正弦波，沿z方向传播的数学表达式为

E_x=E_ocos（ωt-kz+φ_o） （1-1）

式中，E_x是时间t在z方向传输的电场；E_o是波幅；ω是角频率；k是传输常数或波数，k=2π/λ，这里λ是波长；φ_o是相位常数。在t=0和z=0时，E_x可以是零也可以不是零，这要由起点决定。ωt-kz+φ_o称为波的相位，用φ来表示。

由于时间和空间的关系，对于给定的相位φ对应的最大场，根据式（1-1），常数φ可用下式描述：

φ=ωt-kz+φ_o （1-2）

在时间间隔δt内，波前移动了δz，因此该波的相速度是δz/δt。于是相速度为

式中，ν是频率（ω=2πν），单位是赫兹（Hz），1Hz等于每秒振荡1周，两个相邻振荡波峰之间的时间间隔称为周期T，等于光波频率的倒数，即ν=1/T。(www.xing528.com)

图1-1 电磁波频率与波长的换算

图1-2 电磁波电场E_x和磁场H_y随时间不断变化，在空间沿着z方向总是相互正交传输

假如波沿着z方向依波矢量k传播，如式（1-1）所示，被Δz分开的两点间的相位差Δφ可用kΔz简单表示，因为对于每一点ωt是相同的。假如相位差是0或2π的整数倍，则两个点是同相位，于是相位差Δφ可表示为

我们经常对光波上给定时间被一定的距离分开的两点间的相位差感兴趣，比如由马赫-曾德尔（M-Z）干涉仪构成的滤波器、复用/解复用器和调制器，由阵列波导光栅（AWG）构成的诸多器件（滤波器、波分复用/解复用器、光分插复用器和波长可调/多频激光器等），以及由电光效应制成的外调制器和由热光效应制成的热光开关等，它们的工作原理均用到相位差的概念，所以大家要特别给予关注，本书以后有关问题也会经常用到这一概念，并使用式（1-4）。

1867年，麦克斯韦证实了光是一种电磁波，光的传播就是通过电场、磁场的状态随时间变化的规律表现出来的。他把这种变化列成了数学方程，后来人们就称它为麦克斯韦波动方程，这种统一电磁波的理论获得了极大的成功。