光学与光子学
群速度与相速度:一束光,两个速度
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从“光速是多少”说起
真空中的光速 \(c\approx3\times10^8\) m/s 是物理常数。可一旦光进入介质,“光的速度”就不再只有一个答案:日常说“光在玻璃中变慢”,指的是光脉冲整体前进的速度;但如果你盯着波面上一个具体的波峰,会发现它跑得比这个脉冲还要快。前者叫群速度(group velocity),后者叫相速度(phase velocity)。两者在色散介质中并不相等,理解它们的差别,是理解光纤通信、脉冲展宽乃至“快光”实验的起点。
相速度:单个波峰的速度
考虑一列沿 \(x\) 方向传播的单色平面波,电场可以写成
其中 \(k=2\pi/\lambda\) 是波数,\(\omega=2\pi f\) 是角频率。所谓“波峰”,就是相位 \(kx-\omega t\) 取固定值的位置。令 \(kx-\omega t=\text{const}\),对时间求导得到
这就是相速度:单个等相面(波峰或波谷)沿传播方向移动的速度。在折射率为 \(n\) 的介质中,\(k=n\omega/c\),于是 \(v_p=c/n\)——“光在介质中变慢”这句话如果只针对单色平面波,指的正是相速度。
波包与群速度:一束光的整体速度
但真实的光束几乎不可能是无限长的单色波。激光脉冲、通信信号、日常的白光,都是许多不同频率分量的叠加。多个正弦波叠加会形成局域的“波包”:在某个区间内振幅显著,其他地方几乎为零。下图是一个经典演示:绿色波包由 7 个不同频率的正弦波叠加而成。

图 2:波包演化动画(来源:Wikimedia Commons,CC BY-SA 4.0)。绿色波包是 7 个不同频率正弦波的叠加,黑色波形是其中振幅最大的分量。
波包整体移动的速度才是我们感知到的“这束光跑多快”。考虑两个频率、波数相近的分量叠加:
其中 \(\bar{k}=(k_1+k_2)/2\)、\(\bar{\omega}=(\omega_1+\omega_2)/2\),\(\Delta k=(k_1-k_2)/2\)、\(\Delta\omega=(\omega_1-\omega_2)/2\)。第一个余弦是缓慢变化的“包络”,它以速度 \(\Delta\omega/\Delta k\) 移动;当频率分量趋于连续时,这个比值就成为导数
这就是群速度:波包(脉冲)整体移动的速度。下图用深水表面波展示了两种速度的直观差别:红方块以相速度移动,绿色圆圈以群速度传播,深水波中 \(v_g\approx v_p/2\)。

图 1:深水表面重力波的频率色散(来源:Wikimedia Commons,CC BY-SA 4.0)。红色方块以相速度移动,绿色圆圈以群速度传播;\(v_g\approx v_p/2\)。
色散:为什么两者会不同
如果介质中所有频率的光都以相同速度传播,那么 \(v_p\) 与频率无关,波包的所有分量步调一致,\(v_g=v_p\)。真空中正是如此:\(v_g=v_p=c\)。
一旦折射率随频率变化——即存在色散——情况就变了。此时 \(v_p(\omega)=c/n(\omega)\) 对不同频率分量不同,波包在传播中会“摊开”,而包络移动的速度也不再等于单个波峰的速度。把 \(k=n(\omega)\omega/c\) 代入 \(v_g=\mathrm{d}\omega/\mathrm{d}k\),可得
其中 \(n_g\) 称为群折射率。在正常色散区(大多数透明介质,\(\mathrm{d}n/\mathrm{d}\omega>0\)),有 \(n_g>n\),因此 \(v_g<v_p\);在反常色散区,\(v_g\) 甚至可以大于 \(v_p\),甚至大于 \(c\)。下图直观展示了“相速度大于群速度”的波包:波峰一帧一帧地从波包中“穿”过去,而波包本身移动得慢得多。

图 3:无色散波包传播动画(来源:Wikimedia Commons,CC BY-SA 4.0)。波包形状保持不变,但单个波峰(相位)比波包移动得更快——相速度大于群速度。
| 速度 | 定义 | 描述对象 | 真空中 | 正常色散介质中 |
|---|---|---|---|---|
| 相速度 \(v_p=\omega/k=c/n\) | 等相面移动速度 | 单个波峰/波面 | \(c\) | \(v_p>v_g\) |
| 群速度 \(v_g=\mathrm{d}\omega/\mathrm{d}k=c/n_g\) | 包络移动速度 | 脉冲/信号整体 | \(c\) | \(v_g<v_p\),通常小于 \(c\) |
信息以群速度传播
一个容易混淆的地方:既然 \(v_p\) 可以超过 \(c\),是不是就“超光速”了?不是。携带信息的是波包的包络——信号的开关、脉冲的前沿都刻在包络上,而包络以群速度移动。\(v_p>c\) 只是等相面图案的移动速度,它不携带任何可分辨的信号,也不违反因果律。真正需要满足 \(v_g\le c\) 的是信息与能量的传播速度。
这一点在工程上非常具体:光纤中的群速度色散(GVD)会让不同频率分量跑得不一样快,导致脉冲展宽,限制通信速率;光纤通信里常说的“色散补偿”“零色散波长”,处理的对象都是群速度随频率的变化。反过来,通过介质工程让 \(n_g\) 变得很大或很小,还能实现“慢光”或“快光”——2010 年代以来,这些实验在原子气、光子晶体波导等系统中不断刷新纪录。这些话题都从“一束光到底有几个速度”这个基础问题出发。
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参考资料
- Wikipedia. Phase velocity. https://en.wikipedia.org/wiki/Phase_velocity
- Wikipedia. Group velocity. https://en.wikipedia.org/wiki/Group_velocity
- Wikipedia. Wave packet. https://en.wikipedia.org/wiki/Wave_packet
- RP Photonics Encyclopedia. Group Velocity. https://www.rp-photonics.com/group_velocity.html
- OpenStax, University Physics Volume 3, 1.1 The Propagation of Light(CC BY 4.0). https://openstax.org/books/university-physics-volume-3/pages/1-1-the-propagation-of-light
- HyperPhysics, Georgia State University. Wave Motion: Phase and Group Velocity. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/waves/grpvel.html
- Phase-and-group-velocity.png. Wikimedia Commons(CC BY-SA 4.0). https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Phase-and-group-velocity.png
- Wavepacket-loop.gif. Wikimedia Commons(CC BY-SA 4.0). https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wavepacket-loop.gif
- Wave packet propagation (phase faster than group, nondispersive).gif. Wikimedia Commons(CC BY-SA 4.0). https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wave_packet_propagation_%28phase_faster_than_group%2C_nondispersive%29.gif
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