令，，可得自由空间（真空）中的Maxwell方程组
其中真空介电常数（Permittivity constant），真空磁导率（Permeability constant）由实验测定。按照现行计量方案，确保光在真空中的传播速度
利用矢量分析公式
可以推导出电磁场的波动方程
这是6个的线性齐次微分方程；即电场强度矢量或磁感应强度矢量的任意分量都满足微分方程
若以平面电磁波传播方向为x轴，波阵面平行于yz平面，则场分量与位置坐标y和z无关，并满足如下简单微分方程
作为练习，读者可以证明任何形如
的函数都是波动方程的解，只要其中的参数和满足
显然，简谐平面波
是波动方程的特殊解，其中和分别是简谐平面波的园频率和波矢量。
值得指出的是，电场强度矢量或磁感应强度矢量的6个分量必须同时满足Maxwell方程组（1.15-18）四个微分方程。这就要求简谐平面波
还必须满足一些附加条件，即
从而自由空间中沿轴正方向传播的简谐平面电磁波可以写作
并且
类似地，沿轴负方向传播的简谐平面电磁波可以写作
简谐平面电磁波具有显著的横波特性，即
