狹義來說，光學是關於光和視見的科學，optics（光學）這個詞，早期隻用於跟眼睛和視見相聯繫的事物。而今天，常說的光學是廣義的，是研究從微波、紅外線、可見光、紫外線直到 X射線的寬廣波段範圍內的電磁輻射的有關發生、傳播、接收和顯示，以及跟物質相互作用的科學，著重研究的範圍是從紅外到紫外波段。它是物理學的一個重要組成部分，也是與其他應用技術緊密相關的學科。
學科內容 通常把光學學分成幾何光學、物理光學和量子光學。
幾何光學 是從幾個由實驗得來的基本原理出發來研究光的傳播問題的學科。它利用光線的概念和折射、反射定律來描寫光在各種媒質中傳播的途徑；它的結果通常總是波動光學在某些條件下的近似或極限。
物理光學 是從光是一種波動出發來研究光在傳播過程中所發生的現象的學科，所以也稱為波動光學。可以用來研究光的幹涉、光的衍射、光的偏振以及其在各向異性媒質中傳播所表現出的現象。由於光速和電磁波傳播速度相同，從而推測光也是電磁波，這一推測為以後所有實驗所證實。
與幾何光學不同，波動光學不僅考察孔徑遠大於波長情況下的光的傳播過程，而且研究任何孔徑情況下的光的傳播過程。波動光學總能得出正確的解，但是有時嫌所用波動光學方法太復雜，於是，多根據問題的性質來決定采用幾何光學還是波動光學，或者兩者兼而用之。例如，在光學儀器的一般光學系統設計中，多用幾何光學方法來確定系統的結構要素，但在求得光能分佈形式從而評價其成像質量時，就必須用波動光學方法。
波動光學的基礎就是經典電動力學的麥克斯韋方程組。光在媒質中的宏觀參量──介電常數ε和磁導率 μ──在麥克斯韋方程組中表現為系數，它們與媒質的折射率n之間有個簡單的關系:
。波動光學不詳論ε和
μ 與物質結構的關系而側重於解釋光波的表現規律。在建立ε和
μ 跟分子和晶體結構之間的關系中，研究這些內容有時稱為分子光學。波動光學可以解釋光在散射媒質和各向異性媒質中傳播時所伴隨產生的過程和在媒質界面附近的表現；也能解釋色散現象和各種媒質中壓力、溫度、聲場、電場和磁場對光的現象的影響。
雖然波動光學能對光的傳播作出滿意的解釋，但是不能說明光的發射和吸收過程，表現出經典物理的困難。
量子光學 1900年，M.普朗克在研究黑體輻射時為瞭從理論上推導出那時他已經得到的與實際相符甚好的經驗公式，他大膽地提出瞭與經典概念迥然不同的假設，即“組成黑體的振子的能量不能連續變化，隻能取一份份的分立值：0，hv，2hv，…，nhv”，其中n為正整數，v為振子頻率，h為普朗克常數，其值為6.626×10-27爾格秒。1905年，A.愛因斯坦在研究光電效應時推廣瞭普朗克的上述量子論，進而提出瞭光子的概念。他認為光能並不像電磁波理論所描述的那樣把能量分佈在波陣面上，而是集中在所謂光子的微粒上。但這種微粒仍保持著頻率的概念，頻率為 v的光子具有能量hv。在光電效應中，當光子照射到金屬表面時，一次為金屬中的電子全部吸收，而無需電磁理論所預計的那種累積能量的時間，電子把這能量的一部分用於克服金屬表面對它的吸力即作逸出功，餘下的就變成電子離開金屬表面後的動能。
至此認識到一個原子或一個分子能把它的能量分給電磁場或從該場中獲得能量，但隻能以光子hv為單位來進行。從這種光子的性質出發來研究光與物質相互作用的學科即稱為量子光學。它的基礎主要是量子力學或量子電動力學。關於光在分子、原子中的產生與消失，不僅是光的本質問題，還關系到分子、原子的結構。從實驗上驗證和從理論上論述這類問題，是光學的一個分支，稱光譜學。
光的波動和光（量）子的二象性是光的本性。它表現的宏觀世界中連續的波動和微觀世界中的不連續的量子，在經典物理學簡化的機械概念中是互相排斥的，而客觀實際上，它們是統一的。後來不僅從理論上而且也從實驗上無可爭辯地證明瞭:非但光有這種兩重性，微觀世界的物質，包括電子、質子、中子和原子，它們雖是顆粒實物，也都有與其本身質量和速度相聯系的波動的特性（見波粒二象性）。
上述光的量子理論促進瞭近代物理學的發展。此外，在運動媒質的光學現象的研究中，測以太風實驗所得的否定結果是對愛因斯坦狹義相對論的強有力支持，這一事實也是近代物理中十分重要的成就。
現代光學 最近20多年來由於激光的發現和發展，產生瞭一系列新的光學分支學科並達到瞭新的高度。
早在1917年，愛因斯坦在研究原子輻射時曾詳細地論述過物質輻射有兩種形式，其一是自發輻射，其二是受外來光子的誘發激勵所產生的受激輻射。並預見到由受激輻射可以產生沿一定方向傳播的、亮度可以非常高的單色光。由於這些特點，所以自1960年T.H.梅曼首先作成紅寶石激光器以來，光受激輻射的研究──激光科學和技術──得到瞭異常迅速的發展，不妨說，它為光學開辟瞭新紀元。20年來的發展表明，激光科學和技術有力地促進瞭物理學、化學和生物學的發展。激光在精密計量、遙感和遙測、通信、全息術、醫療以及材料加工等方面獲得瞭廣泛的應用。在同位素分離、催化和光學信息處理方面有著廣闊的發展前景，以激光引發核聚變是探索受控熱核聚變和有關技術的重要途徑之一。
在經典波動光學中，媒質參量被認為與光的強度無關，光學過程通常用線性微分方程來表述。然而，在強激光通過的情況下發現瞭許多新現象，例如，發現折射率跟激光的場強有關，光束的強度改變時兩媒質界面處光的折射角隨之發生改變；光束的自聚焦和自散焦；通過某些媒質後光波的頻率躍變以及光束之間有相互作用等。所有這些現象都歸入非線性光學研究。
由於激光器現在已經能夠作為高功率、高度指向性、高度單色性、偏振以及頻率可控和可能獲得超短脈沖的光源，高分辨率光譜、皮(10-12)秒超短脈沖以及可調諧激光技術等已使經典的光譜學發生瞭深刻的變化，發展成為激光光譜學。它成為研究物質微觀結構、微觀動力學過程以及能量轉換機制的重要手段，為原子分子物理、凝聚態物理學、分子生物學和化學的動態過程的研究提供瞭前所未有的新技術。
應用光學 光學，一方面如前所述，它由許多與物理學緊密聯系的分支學科組成；另一方面由於它有廣泛的應用，所以還有一系列應用背景較強的分支學科也屬於光學范圍。例如，有關電磁輻射的物理量的測量的光度學和輻射度學；以正常平均人眼為接收器來研究電磁輻射所引起的彩色視覺及其心理物理量的測量的色度學；以及眾多的技術光學:光學系統設計及光學儀器理論，光學制造和光學測試，幹涉量度學、薄膜光學、纖維光學和集成光學等；還有與其他學科交叉的分支，如天文光學、海洋光學、遙感光學、大氣光學、生理光學及兵器光學等。
發展簡史 光學是一門有悠久歷史的學科，它的發展史可追溯到2000多年前。
人類對光的研究，最初主要是試圖回答“人怎麼能看見周圍的物體？”等類問題。約在公元前400多年(先秦時代)，中國的《墨經》中記錄瞭世界上最早的光學知識。它有八條關於光學的記載，敘述影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，並且以嚴謹的文字討論瞭在平面鏡、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關系（見《墨經》中的物理知識）。
自《墨經》開始，在2000多年的歷史時期中，經過瞭公元11世紀阿拉伯人伊本·海賽木發明透鏡，公元1590年到17世紀初Z.詹森和H.李普希同時相互獨立地發明顯微鏡；一直到17世紀上半葉才由W.斯涅耳和R.笛卡兒將對於光的反射和折射的觀察結果，歸結為今天大傢所慣用的反射定律和折射定律。
1665年I.牛頓進行太陽光的實驗，它能把太陽光分解成簡單的組成部分，這些成分形成一個顏色按一定順序排列的光分佈──光譜。它使人們第一次接觸到光的客觀的和定量的特征，各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。牛頓還發現瞭把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學平玻璃板上，當用白光照射時，則見透鏡與玻璃平板接觸處出現一組彩色的同心環狀條紋；當用某一單色光照射時，則出現一組明暗相間的同心環條紋，後人把這種現象稱牛頓環。借助這種現象可以用第一暗環的空氣隙的厚度來定量地表征相應的單色光。
牛頓在發現這些重要現象的同時，根據光的直線傳播性，他認為光是一種微粒流，微粒從光源飛出來，在均勻媒質內遵從力學定律作等速直線運動，並且用這種觀點對折射和反射現象作瞭解釋。C.惠更斯是光的微粒說的反對者，他創立波動說，在1690年，於《光論》一書中寫道：“光同聲一樣，是以球形波面傳播的。”並且指出光振動所達到的每一點都可視為次波的振動中心，次波的包絡面為傳播著的波的波陣面（波前）。在整個18世紀中，光的微粒流理論和光的波動理論都被粗略地提瞭出來，但都不很完整。
19世紀初，波動光學初步形成，其中以T.楊和A.-J.菲涅耳的著作為代表。楊圓滿地解釋瞭“薄膜的顏色”和雙狹縫幹涉現象。菲涅耳於1818年以楊氏幹涉原理補充瞭惠更斯原理，由此形成瞭今天為人們所熟知的惠更斯－菲涅耳原理，用它可圓滿地解釋光的幹涉和衍射現象，也能解釋光的直線傳播。在進一步的研究中，觀察到瞭光的偏振和偏振光的幹涉。為瞭解釋這些現象，菲涅耳假定光是一種在連續媒質（以太）中傳播的橫波。但是由此不得不把彈性固體的特性強加於以太。彈性橫波在無限大的固體中的傳播速度v同固體的切變模量G和密度ρ有下列關系：
(1)
因為以太不應妨礙各種物體的運動，所以以太的ρ應是非常小的，同時為說明光的巨大的傳播速度，又必須給G以適當大小的數值。為說明光在各不同媒質中的不同速度，又必須認為以太的特性在不同的物質中是不同的；在各向異性媒質中還需要有更復雜的假設。此外，還必須給以太以更特殊的性質才能解釋光不是縱波。如此性質的以太是難以想象的，並且即使承認以太也沒有能把光學現象同其他物理現象聯系起來（見以太論）。
1846年M.法拉第發現瞭光的振動面在磁場中發生旋轉；1856年W.E.韋伯發現光在真空中的速度等於電流強度的電磁單位與靜電單位的比值。它們表示光學現象與磁學、電學現象間有一定的內在關系。
1860年前後J.C.麥克斯韋的理論研究指出，電場和磁場的改變，不能局限於空間的某一部分，而是以等於電流的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播著，光就是這樣一種電磁現象。這個結論在1888年為H.R.赫茲的實驗證實。按麥克斯韋的理論，若以c代表光在真空中的速度，v代表光在介電常數為ε和磁導率為μ的媒質中的速度，則有
， (2)
式中с/v 恰為媒質的折射率，所以有
。 (3)
這個式子給出瞭媒質的光學常數 n跟電學常數ε和磁學常數μ 的關系。在認識光的物理性質方面，麥克斯韋理論較之以前各種理論向前邁進瞭一大步。
然而，這樣的理論不能說明產生頻率高達光的頻率的電振子的性質，也不能解釋折射率隨光的頻率而變所引起的光的色散。到瞭1896年H.A.洛倫茲創立電子論，才解釋瞭發光和物質吸收光的現象，也解釋瞭光在物質中傳播的各種特點，包括對色散現象的解釋。在洛倫茲的理論中，以太乃是廣袤無限的不動的媒質，其唯一特點是，在這種媒質中光振動具有一定的傳播速度。
對於像熾熱的黑體的輻射中能量按波長分佈這樣重要的問題，洛倫茲理論還不能給出令人滿意的解釋。並且，如果認為洛倫茲關於以太的概念是正確的話，則可將不動的以太選作參照系，使人們能區別出絕對運動。而事實上，1887年A.A.邁克耳孫用幹涉儀測“以太風”，得到否定的結果，這表明到瞭洛倫茲電子論時期，人們對光的本性的認識仍然有不少片面性。
1900年，普朗克從物質的分子結構理論中借用不連續性的概念，提出瞭輻射的量子論。他認為各種頻率的電磁波，包括光，隻能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。量子論不僅很自然地解釋瞭灼熱體輻射能量按波長分佈的規律，而且以全新的方式提出瞭光與物質相互作用的整個問題。量子論不但給光學，也給整個物理學提供瞭新的概念，故通常把它的誕生視為近代物理學的起點。
1905年，愛因斯坦運用量子論於光電效應之中，他給光子作瞭十分明確的表示，他特別指出光與物質相互作用時，光也是以光子為最小單位進行的。此外，在19世紀末及20世紀初的許多實驗都雄辯地證明瞭光的量子性。
1905年9月，德國《物理學年鑒》發表瞭愛因斯坦的“關於運動媒質的電動力學”一文。第一次提出瞭狹義相對論基本原理，文中指出，從伽利略和牛頓時代以來占統治地位的古典物理學，其應用范圍隻限於速度遠遠小於光速的情況，而他的新理論可解釋與很大運動速度有關的過程的特征，根本放棄瞭以太的概念，圓滿地解釋瞭運動物體的光學現象。
這樣，在20世紀初，一方面從光的幹涉、衍射、偏振以及運動物體的光學現象確證瞭光是電磁波；而另一方面又從熱輻射、光電效應、光壓以及光的化學作用等無可懷疑地證明瞭光的量子性──微粒性。
1922年發現的康普頓效應，1928年發現的喇曼效應以及當時已能從實驗上獲得的原子光譜的超精細結構，它們無疑地表明光學的發展都不能獨立於量子物理。
在現代光學中，光量子概念並不與光的波動概念相排斥，不過需要借助於由N.玻爾、M.玻恩、E.薛定諤、W.K.海森伯、W.泡利、P.A.M.狄喇克、E.費密以及Л.Д.朗道等人創建和發展起來的量子力學和量子電動力學，才能把兩者統一起來。應用他們的理論可以闡明原子光譜、分子光譜和離子光譜；能解釋電場、磁場和聲場對光譜的效應；能建立激發條件和光譜特性的關系。光學歷史表明，現代物理學中的兩個最重要的基礎理論──量子力學和狹義相對論都是在人類關於光的研究中誕生和發展的。
不僅如此，近20多年來，光學更加迅猛進展開始進入瞭一個新的時期，以致於成為現代物理學和現代科學技術前沿的重要組成部分。其中最重要的成就，就是發現瞭愛因斯坦於1916年預言過的原子和分子的受激輻射並且創造瞭許多具體的產生受激輻射的技術。愛因斯坦研究輻射時指出，有自發輻射和受激輻射兩種。一般情況下光源的發射都屬自發輻射，其中受激輻射幾率之小到可忽略。但是受激輻射具有和去激發它的輻射同方向、同位相、同頻率和同偏振。在一定條件下，如果能使受激輻射繼續去激發其他粒子，造成連鎖反應，雪崩似地獲得放大效果，最後給出單色性極強的輻射（laser）即今天所謂的激光。第一個實現這種量子放大的輻射的是1954年C.H.湯斯完成的微波激射器(maser)。隨後在1960年T.H.梅曼用紅寶石制成第一臺可見光的激光器；同年制成氦氖激光器；1962年產生瞭半導體激光器；1963年產生瞭可調諧染料激光器。近20年來制成的各種激光器已充滿由X 射線、紫外、可見、紅外及至微波的整個波段。由於激光具有極好的單色性、高亮度和良好的方向性，所以自1958年發現以來，得到迅速發展和廣泛應用，引起科學技術的重大變化。
另一個重要的現代光學分支是由成像光學、全息術和光學信息處理組成的。這一分支最早可追溯到1873年E.阿貝提出的顯微鏡成像理論和1906年A.B.波特為之完成的實驗驗證；1935年F.澤爾尼克提出位相反襯觀察法而由蔡司(Zeiss)工廠制成相襯顯微鏡，為此他於1953年獲得諾貝爾物理學獎；1948年D.伽柏提出的現代全息照相術前身的波陣面再現原理，為此，伽柏於1971年獲得諾貝爾物理學獎。
自20世紀50年代以來，人們開始把數學、電子技術和通信理論與光學結合起來，給光學引入瞭頻譜、空間濾波、載波、線性變換及相關運算等概念，更新瞭經典成像光學，形成瞭所謂“傅裡葉光學”。再加上由於激光所提供的相幹光和由E.N.利思及J.阿帕特內克斯改進瞭的波陣面再現──全息術，近20年來形成瞭一個新的學科領域──光學信息處理。
近十多年來，特別是1978年以來由於成功地減小瞭光纖中光的耗損，纖維光學的應用得到突飛猛進的發展，它不僅為內窺光學系統提供瞭纖維傳像和傳光，而尤其重要的，是它已成功地應用於通信系統，光纜代替瞭電纜，實現瞭光纖通信，這是現代光學的另一重要成就，為信息傳輸和處理提供瞭嶄新的技術。
在現代光學本身，由強激光產生的非線性光學現象正為越來越多的人們所註意。以激光引發核聚變在探索實現受控熱核反應方面已經達到瞭能產生“發火點”的水平。激光光譜學，包括激光喇曼光譜學、高分辨率光譜和皮秒超短脈沖以及可調諧激光技術等已使傳統的光譜學發生瞭很大的變化，成為深入研究物質微觀結構、運動規律及能量轉換機制的重要手段。它為凝聚態物理學、分子生物學和化學的動態過程的研究提供瞭前所未有技術。
參考書目
M.玻恩、E.沃耳夫著，楊葭蓀等譯：《光學原理》，上冊，黃樂天等譯：《光學原理》，下冊，科學出版社，北京，1978、1981。(M.Born and E.Wolf， Principles of Optics，5th ed.，Pergamon Press， Oxford， 1975.)
顧德門著，詹達三等譯：《傅裡葉光學導論》，科學出版社，北京，1976。(J.W. Goodman， Introduction to Fourier Optics，McGraw-Hill， New York，1968.)
A.Yariv，Quantum Electronics，John Wiley & Sons，New York， 1967.