Optik
Klasik optik > Geometrik optik > Kırınım

Ana madde: Kırınım
Kırınım ışık kırılma indisi farklı bir ortama geçerken gerçekleşir. Bu prensip sayesinde mercekler ışığı odaklayabilmektedir. En basit şekilde kırılma; ışık kırılma indisi  n_{1} olan bir ortamdan kırılma indisi  n_{2} olan bir ortama geçerken gözlenir. Bunun gibi durumlarda Snell yasası ışık ışının sapma miktarını hesaplar:
burada  \theta _{1} ve  \theta _{2} sırasıyla gelen ve kırılan ışının (dalganın) normalle yaptığı açıdır. Bu durum aynı zamanda ortam değişirken ışık hızının da değişimini hesaplamak için de kullanılabilir.
burada  v_{1} ve  v_{2} ilgili ortamdaki dalga hızlarıdır.
Snell Yasası'nın birçok sonucundan biri de ışık ışınlarının yüksek kırıcılık indisi olan maddeden düşük kırıcılık indisi olan maddeye doğru gitmesidir. Arayüzle temas sonucu tüm ışının yansıyıp hiçbir kısmının emilmemesi de olasıdır. Bu olaya tam yansıma denir ve Fiber optik teknoloji bu mantıkla çalışır. Işık sinyalleri fiber optik kabloda ilerlerken tam yansımaya uğrar bu sayede kablo boyunca ışık kaybı olmaz. Aynı zamanda yansıma ve kırılma kullanarak polarize ışık ışınları elde etmek mümkündür. Kırılan ve yansıyan ışın dik açıyla gelirse yansıyan ışın "düzlemsel (lineer) polarizasyon" özelliği kazanır. Bunun gibi durumların gerçekleşmesi için gereken gelme açısına Brewster açısı denir.
Snell Yasası, ortam doğru ışık ışınlarının kırılma indisi ve geometrisi bilinen "lineer ortamda sapma miktarlarını ölçmek için kullanılabilir. Örneğin ışığın bir prizmadan geçmesi sonucu ışınların sapması ve yayılması prizmanın şekline ve konumuna bağlıdır. Ek olarak çoğu maddede farklı frekanstaki ışıkların farklı kırılma indisi olduğu için kırılma gök kuşağındaki gibi ışık tayfı üretebilir. Bu olayın keşfi Isaac Newton'a mal edilir.
Işığı kırabilen maddelerde kırınım indisi pozisyonla aşamalı olarak değişir ve böylece ışık ışınları düz çizgiler halinde değil bükülmüş olarak yol alır. Bu etki; sıcak havalarda havanın kırılma indisinin değişerek ışık ışınlarının bükülmesine ve uzaktaki nesnelerin çeşitli şekillerde (havuz yüzeyinde olduğu gibi) algılanmasına sebep olur. Serap olayı buradan kaynaklanır. Birden fazla kırılma indisine sahip maddelere değişken-indisli (GRIN) maddeler denir. Bu maddeler modern optikte fotokopi makinesi ve tarayıcı gibi cihazların yapımında olduğu gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Bu olay Değişken indis optiği alanında incelenir.
Kırılma ile ışınları birleştiren ya da ayıran cihazlara mercek (lens) adı verilir. İnce mercekler, merceğin iki tarafında da odak noktası oluşturabilirler. Bu noktalar Lensmaker denklemi ile modellenebilir. Genel olarak iki tip mercek vardır: paralel ışınları birleştiren konveks (dışbükey, ince kenarlı ya da yakınsak) mercek ve paralel ışınları ayıran konkav (içbükey, kalın kenarlı ya da ıraksak) mercek. Merceklerin oluşturduğu görüntünün ayrıntılı tahmini için küresel aynalarda kullanılan ışın izleme yöntemi kullanılabilir. Küresel aynalarda olduğu gibi ince merceklerde de verilen odak noktasının uzunluğu ( f) ve nesne uzaklığı ( S_{1}) kullanılarak basit bir denklem ile cismin görüntüsünün nerede olduğu belirlenebilir:
Bu denklemde  S_{2} görüntünün mesafesini ifade eder ve görüntü ile nesne aynı tarafta ise negatif; farklı tarafta ise pozitif kabul edilir. Odak uzaklığı  f konkav merceklerde negatif alınır.
Paralel gelen ışınlar ince kenarlı (konveks) mercek tarafından, merceğin uzak tarafında odaklandırılarak bir odak uzaklığı mesafede ters bir şekilde gerçek görüntüye dönüştürülürler. Sonlu bir mesafedeki nesneden gelen ışınlar odak noktasından daha öte bir noktada odaklanırlar; nesne merceğe yaklaştıkça görüntü mercekten uzaklaşır. Kalın kenarlı (konkav merceklerde), paralel gelen ışınlar mercekten geçtikten sonra mercekten bir odak uzunluğu mesafede, paralel ışınların geldiği mercek tarafındaki düz bir sanal görüntüden kaynaklanmışçasına dağılırlar. Sonlu mesafedeki bir nesneden gelen ışınlar, merceğe odak noktasından daha yakın, nesne ile aynı tarafta olan bir sanal görüntü ile ilişkilendirilirler. Nesne merceğe yaklaştıkça, sanal görüntü de merceğe yaklaşır.
Aynı şekilde, bir merceğin büyütmesi ise aşağıda gösterildiği şekildedir:
Bu formüldeki eksi (-), bir kongrede alınan karara göre, pozitif ise düz, negatif ise ters nesneleri belirtir. Aynalara benzer olarak, tek mercek ile oluşmuş görüntüler düz ise sanal, ters ise gerçek görüntülerdir.
Merceklerde odağı ve görüntüyü bozan optik aberasyonlar gözlemlenebilmektedir. Bu aberasyonlar (sapınçlar) geometrik kusurlardan ya da ışığın değişik dalga boyları nedeniyle ortaya çıkan kırınım indeksi değişiminden (kromatik aberasyon) kaynaklanabilmektedir.