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En physique, un vecteur d'onde (ou « vecteur de phase » notamment en électronique) est un vecteur utilisé pour décrire une onde , avec un module et une direction. Le module du vecteur d'onde est le nombre d'onde soit l'inverse de la longueur d'onde. Cependant on utilise communément le vecteur d'onde angulaire dans la plupart des champs de la physique où le module est égal à 2π divisé par la longueur d'onde. La direction du vecteur d'onde est généralement la direction de propagation de l'onde (mais pas toujours, voir ci-dessous). Pour une onde monochromatique, ce vecteur est perpendiculaire au front d'onde.
Pour la lumière, et en relativité restreinte et générale, la fréquence est associée au vecteur d'onde, ce qui donne le quadrivecteur d'onde.