Geometrik optik
Kırılma

Kırınım ışığın uzayda farklı bir kırılma indisine sahip ortama girmesiyle oluşur. Kırılmanın en basit oluşumu kırılma indisi olan bir ortam ile olan bir ortam arasındaki ara yüzeydedir. Böyle durumlarda, Snell yasası ışığın sapma miktarını belirler:
v_1 ve v_2 ortamlardaki dalga hızlarıdır.
Snell yasasının çeşitli neticeleri arasında ışığın yüksek kırılma indisili bir materyalden düşük kırılma indisli bir materyale geçerken ara yüzeyle etkileşimde sıfır iletim olması mümkündür. Bu olgu topyekûn iç yansıma olarak adlandırılır ve fiber optik teknolojiye imkân sağlar. Işık sinyalleri bir fiber optik kablodan geçerken topyekûn iç yansımaya maruz kalır ve esasen kablo boyunca hiç ışık kaybı olmaz. Kırılma ve yansımanın bir kombinasyonu kullanılarak polarize ışık ışınları üretilebilir: Kırılan ve yansıyan ışınlar bir dik açı oluşturursa, yansıyan ışın ‘düzlem polarizasyon’ özelliği kazanır. Böyle bir senaryo için gereken açıya Brewster açısı denir.
Snell yasası ortamın kırılma indisi ve geometrisi bilindiği sürece doğrusal bir ortamdan geçen ışık ışınlarının sapmalarını tahmin etmede kullanılabilir. Örnek olarak, bir prizmadan geçen ışık prizmanın şekline ve yönelimine bağlı olarak sapma yapar. İlaveten, ışığın farklı frekansları pek çok maddede az da olsa farklı kırılma indislerine sahip olduğundan, kırılma olayı gökkuşağı gibi görünen dağılma spektrumları oluşturmak için kullanılabilir. Bu prizmadan geçen ışık olgusunun keşfi Isaac Newton'a dayandırılır.
Pozisona göre kademeli olarak değişen bir kırılma indisine sahip olan ortamlarda ışık ışınları doğrudan şekilde hareket etmek yerine kıvrılarak hareket eder. Bu etki sıcak günlerde havanın değişken kırılma indisli kısımlarında ışık ışınlarında kırılmaya ve uzakta bir yerde yanıltıcı yansımaların oluşmasına yani serap görme dediğimiz olaya sebep olur. (sanki bir su birikintisi veya havuz yüzeyinde olduğu gibi). Değişken kırılma indisine sahip maddeler derece derece değişen kırılma indisine sahip madde(GRIN) olarak adlandırılır ve fotokopi ve tarayıcıları da içeren birçok modern optik tarama teknolojisinde kullanılan birçok yararlı özelliği vardır. Bu olgu üzerinde Gradyan indeksi optik konusunda çalışılır.
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 çeşit mercek türü vardır: paralel ışınları birleştiren konveks ve paralel ışınları ayıran konkav mercek. Merceklerin nasıl görüntü oluşturduğunu ayrıntılı şekilde tahmin etmek için 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 görüntünün mesafesini ifade eder ve görüntü ile nesne aynı tarafta ise negatif; farklı tarafta ise pozitif kabul edilir. s. odak uzunluğu f kabul negatif içbükey mercekler.
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.