Quang học
Quang hình học > Quang hình học > Khúc xạ

Bài chi tiết: Khúc xạ
Hiện tượng khúc xạ xảy ra khi ánh sáng truyền qua môi trường có chiếu suất thay đổi; đây cũng là nguyên lý cho thấu kính và sự tập trung ánh sáng. Trường hợp đơn giản nhất của khúc xạ khi tia sáng truyền qua hai môi trường đồng đều tiếp giáp nhau có chiết suất lần lượt  n_{1} và  n_{2}. Định luật Snell miêu tả góc tia khúc xạ liên hệ với góc tia tới và chiếu suất của môi trường:
với  \theta _{1} và  \theta _{2} lần lượt là góc giữa tia pháp tuyến với tia tới và giữa tia pháp tuyến với tia khúc xạ. Hiệu ứng này cũng liên quan tới sự thay đổi của tốc độ ánh sáng trong môi trường khi xét đến định nghĩa của chiết suất, và phương trình trên tương ứng với:
với  v_{1} và  v_{2} là vận tốc sóng ánh sáng tương ứng trong hai môi trường.
Nhiều hệ quả của định luật Snell xuất phát từ quá trình tia sáng đi từ vật liệu có chiếu suất cao hơn vào vật liệu có chiết suất thấp hơn, do vậy có thể xảy ra trường hợp tương tác giữa ánh sáng với bề mặt cho kết quả góc khúc xạ bằng 0. Hiệu ứng này được gọi là phản xạ toàn phần và là nguyên lý cơ bản của công nghệ sợi quang học. Khi ánh sáng đi vào một sợi quang học, hiệu ứng phản xạ toàn phần cho phép ánh sáng không bị tổn hao nhiều trong suốt quá trình nó truyền dọc theo sợi quang. Các nhà vật lý cũng có thể tạo ra được ánh sáng phân cực nhờ kết hợp hai hiệu ứng phản xạ và khúc xạ: Khi tia khúc xạ hợp với tia phản xạ một góc vuông thì lúc này tia khúc xạ có tính chất "phân cực phẳng". Góc tới thỏa mãn trường hợp này thường được gọi là góc Brewster.
Định luật Snell còn dùng để tiên đoán sự lệch của tia sáng khi nó truyền qua "môi trường tuyến tính" khi đã biết chiết suất và hình học cấu trúc của môi trường. Ví dụ, ánh sáng truyền qua một lăng kính sẽ bị lệch hướng phụ thuộc vào hình dáng và chiết suất của lăng kính. Thêm vào đó, do các tần số ánh sáng khác nhau có chiết suất khác nhau đối với cùng một môi trường vật liệu, hiện tượng khúc xạ có thể được sử dụng để tạo ra phổ tán sắc giống như đối với cầu vồng. Isaac Newton là người đầu tiên phát hiện ra hiệu ứng này khi ông cho ánh sáng Mặt Trời truyền qua một lăng kính đặt trong phòng tối.
Một số môi trường có chiết suất thay đổi dần theo vị trí trong nó, và do vậy ánh sáng truyền qua nó bị cong đi. Hiệu ứng này là nguyên nhân tạo ra ảo ảnh khi nhìn trên mặt đường bê tông nhựa vào những ngày nắng nóng khi chiết suất của các lớp không khí thay đổi làm cho tia sáng bị bẻ cong, tạo ra sự phản xạ khi nhìn từ xa. Vật liệu có chỉ số khúc xạ biến đổi được gọi là vật liệu có gradien chiết suất (GRIN) và nó có nhiều tính chất quan trọng áp dụng trong công nghệ quét quang học như ở máy photocopy và máy scan. Lĩnh vực nghiên cứu tính chất này gọi là quang học gradien chiết suất.
Một vật dùng để hội tụ hay phân kỳ các tia sáng gọi là thấu kính. Các thấu kính mỏng tạo ra hai tiêu điểm có thể được miêu tả nhờ phương trình thấu kính. Nói chung có hai loại thấu kính: thấu kính lồi có thể hội tụ các tia sáng song song, và thấu kính lõm làm cho các tia sáng song song phân kỳ. Việc miêu tả sự tạo ảnh có thể thu được nhờ phương pháp dựng tia (vẽ ảnh) tương tự như đối với các gương cong. Các thấu kính mỏng có thể được tính toán đơn giản tuân theo phương trình sau xác định lên vị trí của ảnh khi biết tiêu cự ( f) của thấu kính và khoảng cách tới vật ( S_{1}):
với  S_{2} là khoảng cách tới ảnh và được quy ước có giá trị âm khi ảnh nằm cùng phía với vật và có giá trị dương khi ảnh nằm ở phía bên kia vật so với thấu kính. Đối với thấu kính lõm quy ước tiêu cự f có giá trị âm.
Các tia tới song song hội tụ qua thấu kính lồi (thấu kính hội tụ) tạo ảnh thật ngược chiều nằm tại tiêu điểm ở phía bên kia của thấu kính. Các tia từ một vật ở khoảng cách gần hội tụ tại điểm có khoảng cách đến thấu kính lớn hơn tiêu cự; vật càng gần thấu kính thì ảnh tạo thành nằm càng xa thấu kính. Đối với thấu kính lõm, các tia tới song song phân kỳ sau khi đi qua thấu kính theo cách nếu kéo dài các tia ló thì chúng sẽ cắt nhau tại tiêu điểm của thấu kính lõm và nằm cùng phía với các tia tới, hay thấu kính lõm tạo ảnh ảo. Các tia từ vật ở khoảng cách gần cho ảnh ảo nằm gần thấu kính hơn so với tiêu cự và nằm cùng phía với vật. Vật càng nằm gần thấu kính, ảnh ảo càng nằm gần thấu kính.
Độ phóng đại của thấu kính được định nghĩa là:
với quy ước dấu âm để cho khi tạo ảnh ảo thì M có giá trị dương và ảnh thật thì M có giá âm. Tương tự như gương phẳng, ảnh cùng chiều với vật là ảnh ảo trong khi ảnh ngược chiều với vật là ảnh thật.
Thấu kính cũng chịu hiện tượng quang sai làm mờ hay nhòe ảnh và tiêu điểm. Nguyên nhân của hiện tượng này là do sự không hoàn hảo về cấu trúc hình học của thấu kính và do sự thay đổi chiết suất đối với các bước sóng ánh sáng khác nhau (sắc sai).