光学是物理学的一个分支，研究光及其传播、光与物质的相互作用，以及用于产生、控制和探测光的仪器。其核心问题包括解释反射与折射、描述波动现象，以及理解成像过程。光学将经典电磁理论与辐射的量子描述联系起来，而光学工程则将这些原理应用于成像、测量和通信。(openstax.org)
研究范围与物理基础
光学主要研究可见光，以及电磁波谱中与之相邻的红外和紫外波段，但其方法也适用于其他波长。在经典理论中，光是遵循麦克斯韦方程组的电磁辐射。自由空间中的平面光波，其电场与磁场彼此垂直，且均垂直于传播方向。该理论将光的传播与材料的电学和磁学性质联系起来。(ocw.mit.edu)
光学可采用三种相互补充的描述方式。几何光学用光线表示光的传播；波动光学描述场的振幅、相位和叠加；量子光学则用量子力学研究辐射及其相互作用。这些描述各有适用范围，并非相互排斥。对许多成像系统而言，光线模型是一种实用的近似；而衍射现象和光子层面的测量则需要更细致的模型。(ocw.mit.edu)
几何光学与成像
当相关光学尺度远大于波长时，几何光学最为有效。在均匀介质中，光线沿直线传播。在光滑的反射表面上，反射（光学）遵循反射角等于入射角的规律，两者均以表面法线为基准测量。光线穿过折射率不同的介质界面时，折射会使其方向发生变化。(pressbooks.online.ucf.edu)
透明介质的折射率为 (n=c/v)，其中 (c) 是真空中的光速，(v) 是光在该介质中的相速度。斯涅尔定律将折射关系表述为
[ n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2. ]
两个角均以法线为基准测量。当光向折射率较低的介质传播时，若入射角超过临界角，就会发生全反射。光纤正是利用这一原理来引导光的传播。(openstax.org)
透镜通过改变光线方向形成实像或虚像。在薄透镜、小角度近似下，物距 (d_o)、像距 (d_i) 和焦距 (f) 满足 (1/f=1/d_o+1/d_i)，各量的正负号取决于所采用的符号约定。实像形成于光线会聚处；虚像则形成于光线的反向延长线看似相交的位置。实际的光学设计还要考虑孔径、放大率和像差，即偏离理想成像的各种情况。(openstax.org)
波动光学
波动光学解释仅靠光线追迹无法描述的效应。相互重叠的场会依据相对相位彼此增强或抵消，从而产生干涉。在双缝实验中，这种变化形成明暗相间的条纹。稳定的条纹有赖于适当的光学相干性，也就是说，参与叠加的各个场之间必须保持足够稳定的相位关系。(openstax.org)
衍射描述与孔径、障碍物及波的传播有关的光的扩展和重新分布。即使没有第二条狭缝，有限宽度的单缝也会产生衍射图样，因为来自缝口不同部位的光会相互干涉。因此，有限孔径会限制光学仪器的分辨能力：即便是理想光学系统，也无法将点光源成像为一个完全锐利的数学点。(openstax.org)
偏振表征电场方向的变化特征。光可以呈线偏振、圆偏振或椭圆偏振，而非偏振光则没有单一、稳定的偏振态。偏振器选择性地透过特定分量。反射、散射以及通过双折射材料也会改变光的偏振状态。偏振可用于减少眩光，也应用于液晶显示器。(openstax.org)
量子光学与非线性光学
量子光学研究涉及量子化电磁场的现象。频率为 (\nu) 的光子携带的能量为 (E=h\nu)，其中 (h) 是普朗克常数。光电效应体现了这种描述的重要性：在通常的单光子作用情形下，只有当光的频率高于由材料决定的阈值频率时，光才能使电子从金属中逸出。阿尔伯特·爱因斯坦于1905年用光量子解释了这一效应。(openstax.org)
非线性光学研究材料对外加光场的响应不与光场简单成正比的情况。这些响应可实现频率转换、参量放大，以及随光强变化的传播特性。激光可为许多此类实验提供可控的光辐射。量子光学系统还用于研究关联与量子纠缠，包括它们在通信中的应用。(ocw.mit.edu)
历史发展与应用
历史上的光学研究既包括对光的几何描述，也包括视觉理论。11世纪，伊本·海赛姆在其七卷本《光学之书》中，对视觉和光学几何作出了影响深远的论述。此后的波动实验，包括杨氏双缝实验，确立了干涉作为光学核心现象的地位。电磁理论随后将光与电场、磁场联系起来，而量子理论则解释了经典模型无法说明的某些发射与吸收现象。(meetings-archive.aps.org)
光学仪器拓展了观测能力，并为定量测量提供支持。照相机和显微镜用于成像，望远镜则收集来自远处物体的光。干涉测量利用对相位敏感的干涉图样测量光程差。光谱学按波长分离或分析辐射，衍射光栅是实现这一目的的一种手段。光通信通过受引导传播的光传输信息，而计算成像将光学系统与数值处理相结合，以获取或解读图像。(assets.openstax.org)