Оптика непосредственно связана с разделом физики, изучающим волны и колебания. Свет, как электромагнитная волна, подчиняется тем же фундаментальным законам, что и любые другие волновые процессы. Законы интерференции, дифракции и поляризации света неотделимы от понятий когерентности, фазы, частоты и длины волны, развиваемых в курсе механических и акустических волн.
В оптике применяются принципы гармонических колебаний, резонанса и суперпозиции. Интерференционные явления (например, в опыте Юнга или в интерферометрах) имеют точные аналоги в механике. Формализм волнового уравнения, получаемый в теории колебаний, применяется к световым волнам напрямую.
Ключевую связь оптика имеет с электричеством и магнетизмом, особенно в рамках классической электродинамики. Согласно теории Максвелла, свет — это поперечная электромагнитная волна, распространяющаяся в вакууме со скоростью:
$$ c = \frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}} $$
где ε0 — электрическая постоянная, а μ0 — магнитная постоянная.
Из уравнений Максвелла следуют все важнейшие оптические явления: отражение, преломление, распространение в анизотропных средах, возникновение поляризации. Электромагнитная теория света объясняет также поведение света в различных материалах через их диэлектрическую и магнитную проницаемости. Например, дисперсия света в веществе обусловлена частотной зависимостью диэлектрической проницаемости.
Особенно тесной становится связь оптики и электродинамики в волноводах, антеннах, а также в технологии лазеров и волоконной оптики, где распространение света подчиняется тем же законам, что и радиоволны.
Современная оптика немыслима без квантовой механики. Эффект фотоэлектрического выбивания, открытие эффекта Комптона и спектров испускания атомов показали, что свет обладает двойственной природой: как волной, так и корпускулой — фотоном.
Появление квантовой электродинамики (КЭД) обеспечило глубинное понимание взаимодействия света с веществом. В рамках этой теории фотоны рассматриваются как кванты электромагнитного поля, и описываются вероятности поглощения, рассеяния и испускания света атомами.
Применение квантовой физики привело к созданию лазеров, основанных на вынужденном излучении, предсказанном Эйнштейном. Также, с развитием нелинейной оптики, стало очевидным, что в сильных полях свет может вызывать явления, требующие квантового описания, например, генерация второй гармоники или самофокусировка пучков.
Оптика пересекается с термодинамикой в таких областях, как излучение абсолютно чёрного тела, тепловое излучение и законы Кирхгофа. Закон Планка описывает спектр теплового излучения, связывая температуру тела с энергетическим распределением фотонов:
$$ I(\nu, T) = \frac{8\pi h \nu^3}{c^3} \cdot \frac{1}{e^{h\nu/kT} - 1} $$
Этот закон лежит в основе понятия фотонного газа и является краеугольным камнем статистической физики света. Плотность фотонов в замкнутом объеме подчиняется распределению Бозе–Эйнштейна, и подобные подходы используются в описании лазерных и тепловых источников света.
Механизмы испускания и поглощения света на атомном и субатомном уровнях связывают оптику с атомной физикой. Оптические спектры позволяют исследовать тонкую и сверхтонкую структуру уровней энергии, спин-орбитальное взаимодействие и эффекты Зеемана и Штарка.
Оптические методы, в том числе лазерная спектроскопия, лежат в основе современных исследований структуры атомов, молекул и даже ядер. Возбуждение атомов с последующим флуоресцентным излучением используется в методах лазерной диагностики, спектроскопии поглощения, ремиссионной спектроскопии, а также в технологиях контроля ионизирующих излучений.
В геометрической оптике, несмотря на отсутствие волновых понятий, оптические явления описываются с помощью законов, тесно связанных с механикой. Принцип Ферма, гласящий, что свет распространяется по траекториям, для которых оптическая длина пути экстремальна, аналогичен принципу наименьшего действия в механике. Этот аналог особенно ярко выражен в оптико-механической аналогии Гамильтона.
Световые лучи в оптических системах трактуются как траектории в фазовом пространстве, и эта аналогия служит основой для разработки методов в оптическом дизайне, аберрационной теории и гауссовой оптике.
Оптика взаимодействует с акустикой через такие явления, как эффект Бриллюэна — рассеяние света на акустических фононах среды. Этот эффект позволяет исследовать механические свойства веществ на микроскопическом уровне. Акустооптические устройства (модуляторы, дефлекторы) используют взаимодействие звуковых и световых волн в кристаллах для управления лазерными пучками.
Связь углубляется в областях оптической томографии, ультразвуковой визуализации, а также в гибридных подходах, объединяющих акустические и оптические методы (например, фотоакустическая визуализация).
Оптика сыграла ключевую роль в формировании специальной теории относительности (СТО). Именно эксперименты по распространению света в различных системах отсчёта (в первую очередь опыт Майкельсона–Морли) привели к необходимости пересмотра представлений о пространстве и времени.
Постулат о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах стал одним из двух фундаментальных принципов СТО. Следствия из него — эффекты времени, длины и массы — отражаются в оптических измерениях и системах навигации. В высокоточных лазерных экспериментах учитываются релятивистские поправки, особенно при наблюдении доплеровского смещения на больших скоростях или в сильных гравитационных полях.
Оптика также связана с гравитацией через понятие искривления световых лучей в поле тяготения. Общая теория относительности предсказывает такие оптические явления, как гравитационное линзирование, красное смещение, задержка сигнала Шапиро и отклонение света у массивных объектов.
В астрономической оптике эти явления позволяют определять массу галактик и чёрных дыр, изучать тёмную материю и структуру Вселенной. Оптические наблюдения, дополненные релятивистской теорией, используются в гравитационно-оптической астрономии.
В последние десятилетия оптика активно интегрируется с новыми областями физики и технологий:
Таким образом, оптика — это не изолированный раздел физики, а глубоко интегрированная дисциплина, участвующая во всех ключевых направлениях современной науки.