光學是研究光的行為和特性的物理學分支，包括光與物質的相互作用以及使用或檢測光的儀器的構造。光學通常描述可見光、紫外光和紅外光的行為。因為光是一種電磁波，所以其他形式的電磁輻射，如X 射線、微波和無線電波也表現出類似的特性。

大多數光學現象可以通過使用光的經典電磁描述來解釋。然而，光的完整電磁描述通常難以在實踐中應用。實用光學通常使用簡化模型完成。其中最常見的幾何光學将光視為光線的集合，這些光線沿直線傳播，并在穿過或從表面反射時彎曲。物理光學是一種更全面的光模型，包括衍射和幹涉等波動效應這在幾何光學中是無法解釋的。曆史上，首先開發了基于光線的光模型，然後是光的波動模型。19世紀電磁理論的進步導緻發現光波實際上是電磁輻射。

一些現象依賴于具有波狀和粒子狀特性的光。這些效應的解釋需要量子力學。在考慮光的類粒子特性時，光被建模為稱為“光子”的粒子集合。量子光學涉及量子力學在光學系統中的應用。

經典光學分為兩個主要分支：幾何光學和物理光學。在幾何光學中，光被認為是直線傳播，而在物理光學中，光被認為是電磁波。

幾何光學可以看作是物理光學的近似，當所使用的光的波長遠小于被建模系統中光學元件的尺寸時，它适用于物理光學。

幾何光學

幾何光學，用直線傳播的射線來描述光的傳播，其路徑受不同介質界面處的反射和折射定律支配。這些定律早在公元984年就已憑經驗發現，并且從那時起一直用于光學元件和儀器的設計。它們可以總結如下：

1. 當一束光線撞擊兩種透明材料之間的邊界時，它分為反射光線和折射光線。
2. 反射定律說反射光線位于入射平面内，反射角等于入射角。
3. 折射定律說折射光線位于入射平面内，入射角的正弦除以折射角的正弦是一個常數：

,

其中n是任意兩種材料和給定顔色的光的決定的常數。如果第一種材料是空氣或真空，n是第二種材料的折射率。

反射和折射定律可以從費馬原理推導出來，該原理指出，光線在兩點之間所走的路徑是可以在最短的時間内穿過的路徑。

反射和折射

鏡頭

由于折射而産生會聚或發散光線的裝置稱為透鏡。透鏡的特點是它們的焦距：會聚透鏡具有正焦距，而發散透鏡具有負焦距。較小的焦距表示鏡頭具有較強的會聚或發散效果。一個簡單的鏡頭在空氣中的焦距由鏡頭制造商方程給出。

鏡頭

光線追蹤可用于顯示鏡頭如何形成圖像。對于空氣中的薄透鏡，圖像的位置由簡單方程給出

,

是物體到鏡頭的距離，是鏡頭到圖像的距離，并且是鏡頭的焦距。在此處使用的符号約定中，如果物體和圖像位于鏡頭的相對兩側，則物體和圖像距離為正。

物理光學

在物理光學中，光被認為是作為波傳播的。該模型預測了幾何光學無法解釋的幹涉和衍射等現象。

波動模型可用于預測光學系統的行為方式，而無需解釋什麼是在什麼介質中“波動”。直到 19 世紀中葉，大多數物理學家都相信光幹擾在其中傳播的“空靈”介質。1865 年麥克斯韋方程組預測了電磁波的存在。這些波以光速傳播，并具有相互正交的變化電場和磁場，也與波的傳播方向正交。光波現在通常被視為電磁波，除非必須考慮量子力學效應。

疊加和幹涉

在沒有非線性效應的情況下，疊加原理可用于通過簡單地添加幹擾來預測相互作用波形的形狀。波的這種相互作用以産生結果的模式通常被稱為“幹擾”，并可能導緻各種結果。如果兩個相同波長和頻率的波同相，則波峰和波谷都對齊。這會導緻建設性幹擾以及波幅的增加，對于光而言，這與該位置的波形變亮有關。或者，如果相同波長和頻率的兩個波異相，則波峰将與波谷對齊，反之亦然。這會導緻相消幹涉和波幅的降低，這對于光而言與該位置的波形變暗有關。

衍射和光學分辨率

衍射是最常觀察到光幹涉的過程。1665 年， Francesco Maria Grimaldi首次描述了這種效果。第一個基于惠更斯-菲涅耳原理的衍射物理光學模型是由 Thomas Young 于1803 年在他的幹涉實驗中開發的，他對兩個緊密間隔的狹縫的幹涉圖案進行了幹涉實驗。楊表明，隻有當這兩個狹縫充當兩個獨特的波源而不是微粒時，才能解釋他的結果。在 1815 年和 1818 年，Augustin-Jean Fresnel 牢固地建立了波幹涉如何解釋衍射的數學。

色散和散射

折射過程發生在物理光學極限中，其中光的波長與其他距離相似，是一種散射。最簡單的散射類型是湯姆遜散射，它發生在電磁波被單個粒子偏轉時。在湯姆森散射的極限中，光的波狀特性很明顯，光的散射與頻率無關，而康普頓散射則依賴于頻率，是一個嚴格的量子力學過程，涉及光作為粒子的性質。在統計意義上，許多遠小于光波長的粒子對光的彈性散射是一個稱為瑞利散射的過程而波長相似或更大的粒子的類似散射過程稱為米氏散射，廷德爾效應是常見的觀察結果。來自原子或分子的一小部分光散射可能會發生拉曼散射，其中頻率由于原子和分子的激發而改變。當光的頻率由于随時間的局部變化和緻密材料的運動而發生變化時，就會發生布裡淵散射。

棱鏡的顔色分離是正常色散的一個例子。在棱鏡表面，斯涅爾定律預測，與法線成 θ 角入射的光将以 arcsin(sin (θ) / n ) 角折射。因此，具有較高折射率的藍光比紅光更強烈地彎曲，從而形成了衆所周知的彩虹圖案。

極化

極化是波的一般屬性，它描述了它們的振蕩方向。對于諸如許多電磁波之類的橫波，它描述了垂直于波傳播方向的平面中的振蕩方向。振蕩可以定向為單一方向（線性偏振），或者振蕩方向可以随着波的傳播而旋轉（圓形或橢圓偏振）。圓極化波可以在傳播方向上向右或向左旋轉，而這兩種旋轉中的哪一種出現在波中稱為波的手性。

現代光學

現代光學涵蓋了 20 世紀流行的光學科學和工程領域。這些光學科學領域通常與光的電磁或量子特性有關，但确實包括其他主題。現代光學的一個主要子領域，量子光學，專門處理光的量子力學性質。量子光學不僅僅是理論上的；一些現代設備，例如激光器，具有依賴于量子力學的工作原理。光探測器，如光電倍增管和通道加速器，對單個光子做出響應。電子圖像傳感器，如CCD，會出現散粒噪聲。對應于單個光子事件的統計數據。沒有量子力學也無法理解發光二極管和光伏電池。在這些器件的研究中，量子光學經常與量子電子學重疊。

光學研究的專業領域包括光如何與特定材料相互作用的研究，如晶體光學和超材料。其他研究側重于電磁波的現象學，如奇異光學、非成像光學、非線性光學、統計光學和輻射測量。此外，計算機工程師對集成光學、機器視覺和光子計算作為“下一代”計算機的可能組件感興趣。

今天，純粹的光學科學被稱為光學科學或光學物理學，以區别于應用光學科學，後者被稱為光學工程。光學工程的突出子領域包括照明工程、光子學和光電子學，具有實際應用，如透鏡設計、光學元件的制造和測試以及圖像處理。其中一些領域重疊，主題術語之間的界限模糊不清，在世界不同地區和不同行業領域的含義略有不同。由于激光技術的進步，在過去的幾十年裡，一個專業的非線性光學研究人員社區已經發展起來。

激光

激光是一種通過稱為受激發射的過程發射光的設備。激光通常是空間相幹的，這意味着光要麼以窄、低發散的光束發射，要麼可以在光學元件（如透鏡）的幫助下轉換成一束。由于首先開發了激光的微波等效物，即微波激射器，因此發射微波和無線電頻率的設備通常稱為微波激射器。

Kapitsa-Dirac 效應

Kapitsa-Dirac 效應導緻粒子束由于遇到駐波光而發生衍射。光可用于使用各種現象定位物質。