光はマクスウェル方程式を満たす電磁波であり、真空中では \[ c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}} \approx 3.0\times 10^8\ \mathrm{m/s} \] の速度で伝播する。波としての性質：干渉・回折を示す。
光子のエネルギーは \[ E = h\nu = \hbar\omega \] で与えられる。光電効果・コンプトン散乱などで粒子性が現れる。
入射角と反射角が等しい： \[ \theta_i = \theta_r. \]
屈折率 \(n_1, n_2\) の媒質境界で、 \[ n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2. \]
高屈折率 \(n_1\) から低屈折率 \(n_2\) へ進むとき、 \(\theta_1 > \theta_c\) で全反射が起こる： \[ \sin\theta_c = \frac{n_2}{n_1}. \] 光ファイバに応用される。
物体距離 \(u\)、像距離 \(v\)、焦点距離 \(f\) は \[ \frac{1}{f} = \frac{1}{u} + \frac{1}{v}. \]
像の高さ \(h'\)、物体の高さ \(h\) の倍率は \[ m = \frac{h'}{h} = -\frac{v}{u}. \] 負号は倒立像であることを示す。
屈折率 \(n\)、曲率半径 \(R_1, R_2\) の薄レンズでは \[ \frac{1}{f} = (n-1)\left(\frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2}\right). \]
近接した薄レンズの合成焦点距離 \(f_\mathrm{eq}\) は \[ \frac{1}{f_\mathrm{eq}} = \frac{1}{f_1} + \frac{1}{f_2} \quad (\text{レンズ間距離を無視できる場合}). \]
電場を \[ \mathbf{E}(\mathbf{r},t) = \mathrm{Re}\left[ \mathbf{E}_0 e^{i(\mathbf{k}\cdot\mathbf{r} - \omega t)} \right] \] と書く。ここで \(\mathbf{k}\)：波数ベクトル、\(\omega\)：角周波数。
複素振幅 \(\tilde{E} = E_0 e^{i\phi}\) を用いると、 強度は平均として \[ I \propto |\tilde{E}|^2. \] 複数波の重ね合わせで干渉が生じる。
一定時間・一定空間距離にわたり位相関係が保たれている程度を コヒーレンスと呼ぶ。
スリット間隔 \(d\)、スクリーンまでの距離 \(L\)、波長 \(\lambda\) の単色光の場合、 スクリーン上の明線の位置 \(y_m\) は \[ d\sin\theta_m = m\lambda,\quad \theta_m \approx \frac{y_m}{L}, \] より \[ y_m \approx \frac{m\lambda L}{d}. \]
光路差 \(\Delta = n_2 \ell_2 - n_1 \ell_1\) があるとき、 位相差は \[ \delta = \frac{2\pi}{\lambda_0}\Delta, \] \(\lambda_0\)：真空中の波長。
2 波の干渉強度は \[ I = I_1 + I_2 + 2\sqrt{I_1 I_2}\cos\delta. \]
薄膜厚さ \(t\)、屈折率 \(n\) のとき、入射光と多重反射光の光路差は \[ \Delta \approx 2nt\cos\theta'. \]
単層反射防止膜では、設計波長 \(\lambda\) に対し \[ t = \frac{\lambda}{4n},\quad n = \sqrt{n_\text{空気}\, n_\text{基板}} \] とすることで反射光が打ち消し合う。
幅 \(a\) の単スリットに平面波を入射させると、遠方（フラウンホーファー）での強度分布は \[ I(\theta) \propto \left( \frac{\sin\beta}{\beta} \right)^2,\quad \beta = \frac{\pi a}{\lambda}\sin\theta. \] 最小条件は \[ a\sin\theta_m = m\lambda \quad (m = \pm1,\pm2,\dots) \] で与えられる。
格子定数 \(d\) の回折格子では、 回折条件 \[ d\sin\theta_m = m\lambda \] が成り立ち、スペクトル分解に用いられる。
入射強度 \(I_0\) の線偏光が偏光子に角度 \(\theta\) で入射すると、 透過強度は \[ I = I_0 \cos^2\theta. \]
光学的に異方な媒質では屈折率の異なる 2 軸間で位相差が生じる。 位相差 \(\pi/2\) の波長板は線偏光→円偏光などの変換に用いられる。
反射光が完全に偏光する入射角をブリュースター角 \(\theta_B\) といい、 屈折率 \(n_1\) から \(n_2\) への入射で \[ \tan\theta_B = \frac{n_2}{n_1}. \]
s 偏光・p 偏光に対する反射係数 \(r_s, r_p\) は 入射角と屈折率に依存し、反射率 \(R = |r|^2\) を与える。 （詳細式は省略するが、境界条件から導出される。）
レーザーの基本モードはガウス型ビームで、強度分布は \[ I(r,z) \propto \exp\left(-\frac{2r^2}{w^2(z)}\right) \] の形をとる（\(w(z)\)：ビームウエスト半径）。