基本光学器件
与通过欧姆定律等原理描述电路一样，光学中通过菲涅尔定律等原理描述并采用光路。 这里介绍一下与光相关的一些基本原理，重点是光受物质影响后的一些行为，以此加深对概念的理解。
基本原理
减速
光是能自我传播的电磁波，电场与磁场相互垂直。 减速是光与非真空介质相互作用时的行为，有些重要的光学现象发生在材料界面上，很大程度上是由于光速变化。速度变化体现在折射率上：
$$n=\frac{c}{v}$$
折射率随波长变化,所以规定折射率时要指明波长。我们一般使用光谱吸收峰或夫琅和费谱线作为波长参考标准。D3线（588 nm 橙色）是最常用的参考。D3线折射率表示为 $n_d$ 。
折射
低折射率入射到高折射率，光线将向法线方向偏折,角度关系用菲涅尔定律（Snell’s Law）描述：
$$n_1\sin\theta_1 = n_2 \sin \theta_2$$
若用 $i$ 表示入射光，$r$ 表示折射光，则公式变为：
$$n_i\sin i = n_r \sin r$$
因此，正是因为光的弯折，透镜才能屈光以完成需要做的事，事实上，汇聚或发散的程度就叫做屈光度。屈光度可以旋转对称，比如球面透镜；也可以是单轴，比如柱面透镜；很多因素决定哪些形状和尺寸最适合给定方案。
色散
因为折射率随波长变化，所以根据菲涅尔定律，不同的波长具有不同的折射角，所以导致白光可以分出不同的成分这种分光也叫做色散。反过来，利用这个原理也可以将不同波长的光组合成白光。
全反射
高折射率入射到低折射率，光线将向远离法线方向偏折,则存在一临界值，使得光线在这个角度下发生全反射（TIR，Total Internal Reflection），这种性质是光纤应用的基础。
简单而言，反射定律即为入射角等于反射角：
$$\theta_i = \theta_r$$
反射是菲涅尔定律的一个特例。
波动理论
电场矢量
平常的各种光具有随机偏振态，说明电场矢量方向不断变化，就像不同波长的颜色混乱。如果正对光的传播方向看，电场矢量振荡呈现很大的随机性,但一般情况下，我们需要更稳定的光波振荡。为了更好地理解这种光学现象，可将光分解为垂直和水平分量，分别用 $E_x$ 和 $E_y$ 表示，这样更好理解发生在表面或其他情形的光学现象，也更好理解光的纯偏振态，以及如何表示垂直或水平偏振态，具体如偏振片后端的图示。
继续讲反射，用复数表达通过均匀介质的线偏振光，通过数学推导和菲涅尔定律，算出平行和垂直偏振光的反射率，也称为 $s$ 偏振（$s$ 是德语垂直的首字母）和 $p$ 偏振,这个公式是菲涅尔推导的。他最早认识到光是一种横波，因此这个原理得名 菲涅尔反射。
透过率可以类似地计算，但为了快速分析通常采用简化：
$$A = 1-T-R$$
$A$ 表示吸收率，在很多光学界面上可以忽略不计，因此 $1-R$ 就是透过率。
反射只是实现偏振的方法之一，各种类型的偏振片利用二向色性，他们有优势也有局限性。局限是吸收不能承受高功率、灵敏度低、并且受应力和入射角影响。
材料在不同传播轴上具有不同的折射率，这种不均匀行为通常出现在晶体中，叫做双折射。双折射可用于操纵偏振光。
当晶轴或光轴垂直于传播方向时，我们就有了一类特殊的偏振器件、波片或延迟器。这些组件具有两个平行表面，在此产生有趣的现象。通过材料时，一个电场分量滞后于另一个电场分量，存在两种常见类型：四分之一波片与半波片。四分之一波片的延迟是90度相位差，两个分量相加最终变成圆偏振态；而半波片则是使输入线偏振绕光轴旋转，旋转到不同的输出线偏振，两种材料配合可制作受波长影响更小的波片，称为消色差或超消色差波片。
干涉
干涉的基本原理是波的叠加，如下图所示，当我们观察到两个波的叠加时，会发生三种现象，两个相对传播的波叠加时，有一种情况是相干相长，同相位振幅变成两倍；另一种是相干相消，不同相的两个波完全相消；最后一种部分相消干涉处于两种情况之间，干涉通过各种形式的光学器件呈现，在光学生产过程中还能用于测量，这里讲一下光学镀膜基础。
通过在表面上镀一层膜，我们可以观察到两次背向反射，对于四分之一波片的光学厚度层，两反射波具有半波偏移，四分之一波进，四分之一波出，所以延迟半波导致相消干扰并降低背向反射，考虑电磁波的相位分量以及薄膜的菲涅尔反射，可以得到四分之一波规则：
$$n=\frac{n^2_1}{n_{sub}} \to R = \frac{(n_0-n)^2}{(n_o+n)^2}$$
简洁的四分之一波规则是设计光学薄膜的有力工具，可以帮助我们理解反射率R随光学厚度增加的振荡，让我们能制备简单的增透膜，
光学器件
偏振分光棱镜
偏振分光棱镜是通过在直角棱镜的斜面镀制多层膜结构，然后胶合成一个立方体结构，利用光线以布鲁斯特角入射时P偏振光透射率为1而S偏振光透射率小于1的性质，在光线以布鲁斯特角多次通过多层膜结构以后，达到使的P偏振分量完全透过，而绝大部分S偏振分量反射（至少90%以上）的一个光学元件。
四分之一波片（$\frac{\lambda}{4}$ 波片）
也即晶体厚度恰能使 $o$ 光和 $e$ 光光程差为 $\lambda/4$ 的晶片：
$$\delta = (n_o-n_e)d = \frac{\lambda}{4}$$
$$\Delta \varphi = \frac{2\pi}{\lambda}(n_o-n_e)d = \frac{\pi}{2}$$
旋转波片使入射光偏振方向与波片两轴夹角为45°，椭圆/圆偏振光经过四分之一波片后，变成了线偏振光。同理，如果入射光偏振方向与波片两轴夹角为45°，线偏振光经过四分之一波片后，变成了圆偏振光。
具体过程为：
正椭圆（圆）：相位差为 $\pm \pi/2$ 的两相互垂直谐振动的合成 经过波片：产生 $\pi/2$ 相差 透射之后：$\delta = 0$ 或 $\pi$
二分之一波片（$\frac{\lambda}{2}$ 波片）
也即晶体厚度恰能使o光和e光光程差为λ/2的晶片：
$$\delta = (n_o-n_e)d = \frac{\lambda}{2}$$
$$\Delta \varphi = \frac{2\pi}{\lambda}(n_o-n_e)d = \pi$$
线偏振光通过 $\lambda/2$ 波片后仍为线偏振光，但振动方向与原振动方向相比转过 $2\theta$。 圆偏振光通过 $\lambda/2$ 波片后仍为圆偏振光，但转动方向与原来相反。