Chiết suất

Trong định luật Snell

Theo định luật Snell, chiết suất có thể được tính bằng tỉ số giữa sin của góc tới và sin của góc khúc xạ, biểu hiện mức độ gãy khúc của tia sáng (hay bức xạ điện từ nói chung) khi chuyển từ một môi trường vật chất này sang một môi trường vật chất khác .
Công thức trên có thể được suy ra từ phát biểu Fermat của Pierre de Fermat: ánh sáng luôn đi theo đường đi tốn ít thời gian nhất trong các môi trường.

Tán sắc

Chiết suất được định nghĩa với tốc độ pha bức xạ điện từ trong vật liệu tại một tần số nhất định. Chiết suất của cùng một vật liệu có thể thay đổi tùy theo tần số bức xạ điện từ. Hiện tượng này được biết đến, trong quang học, là tán sắc. Đây là nguyên nhân khiến lăng kính tách ánh sáng trắng thành phổ màu sắc, các giọt nước tạo nên cầu vồng. Nó cũng gây ra hiện tượng sắc sai trong thấu kính.
Thông thường, trong vùng phổ bức xạ điện từ mà ở đó vật liệu tương đối trong suốt, chiết suất tăng nhẹ theo tần số bức xạ. Gần nơi vật liệu hấp thụ mạnh, liên hệ giữa chiết suất với tần số khá phức tạp, theo liên hệ Kramers-Kronig, và có thể giảm theo tần số.
Phương trình Sellmeier là một công thức suy ra từ thực nghiệm, mô tả tương đối tốt sự tán sắc của vật liệu. Các hệ số Sellmeier thường được cho kèm theo chiết suất khi mô tả vật liệu quang học.

Môi trường không đẳng hướng

Chiết suất trong một số môi trường có thể phụ thuộc vào hướng phân cực và phương chiếu của ánh sáng hay bức xạ điện từ nói chung. Môn quang học tinh thể nghiên cứu các hiện tượng này. Để mô tả sự phụ thuộc theo hướng một cách tổng quát, khái niệm chiết suất được thay bằng hằng số lưỡng cực điện, một tensơ hạng 2 (ma trận có kích thước 3 nhân 3), có giá trị trùng với chiết suất theo các phương chính trong tinh thể.
Trong các vật liệu quang từ hay vật liệu quang hoạt, các phương chính trong tinh thể được biểu diễn bằng số phức (tương ứng với phân cực elíp), và hằng số lưỡng cực điện là Hermitian phức nếu bỏ qua hấp thụ. Các vật liệu này không tuân theo đối xứng nghịch đảo thời gian và có thể dùng để xây dựng chất cách điện Faraday.

Môi trường không đồng nhất

Trong một số môi trường không đồng nhất, chiết suất thay đổi chậm từ điểm này đến điểm khác. Môn học nghiên cứu các môi trường này là quang học chiết suất biến đổi. Ánh sáng hay bức xạ điện từ di chuyển trong môi trường như vậy sẽ đi theo đường cong, hoặc bị hội tụ hay phân kỳ. Ví dụ như không khí bị hun nóng tại gần mặt đất ở sa mạc có thể tạo ảo ảnh quang học nhờ bẻ cong tia sáng đến từ mây trời. Hiệu ứng này có thể được dùng để làm thấu kính, một số sợi quang học hoặc các thiết bị quang học khác.

Môi trường phi tuyến

Một số vật liệu khi được đặt trong các môi trường đặc biệt (như trong điện trường mạnh) hoặc được chiếu bởi ánh sáng hay bức xạ điện từ cường độ cao (như từ nguồn laser hay maser) có thể bị thay đổi chiết suất tùy thuộc vào tác động của môi trường hay cường độ sáng. Môn học nghiên cứu các hiện tượng này là quang học phi tuyến. Nếu chiết suất biến đổi theo hàm bậc hai với biên độ ánh sáng (tuyến tính với cường độ ánh sáng), hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Kerr và gây ra các hiện tượng như chùm sáng tự hội tụ hay tự biến pha. Nếu chiết suất biến đổi tuyến tính với biên độ ánh sáng (chỉ xảy ra với vật liệu không có đối xứng nghịch), hiện tượng được biết đến với tên gọi hiệu ứng Pockels.

Ứng dụng

Chiết suất của vật liệu là một trong những tính chất quan trọng nhất khi thiết kế các hệ thống quang học sử dụng hiện tượng khúc xạ. Nó được dùng để tính tiêu cự cho thấu kính hay độ phân giải của lăng kính.
Đo đạc chiết suất có thể giúp suy ra nồng độ các dung dịch, như nồng độ đường (xem Brix), hay độ tinh khiết của hỗn hợp trong hóa học. Số lượng hồng cầu trong máu cũng có thể được ước lượng khi quan sát ánh sáng đỏ xuyên qua mạch máu và đo chiết suất phức của máu.