科學描述光和光學現(xiàn)象的早期嘗試是基于微粒理論（由勒內·笛卡爾、艾薩克·牛頓等人提出），假設光由小粒子組成，這些小粒子至少在自由空間中以一定速度沿直線傳播。這符合幾何光學，在幾何光學中，光由幾何光線表示。從17世紀開始，像羅伯特·胡克和克里斯蒂安·惠更斯這樣的科學家更密切地跟蹤光的波動性質的證據(jù)，這最終導致了光的波動理論（波動光學），這是由惠更斯在數(shù)學上計算出來的（于1690年發(fā)表），后來由土木工程師奧古斯丁-讓·菲涅爾進行了更詳細的研究。波動光學沒有立即被接受為描述光的性質的合適模型；直到19世紀初，它才真正被科學界廣泛接受，特別是在多米尼克·弗朗索瓦·讓·阿拉戈觀察到所謂的阿拉戈光斑之后，奧古斯丁·讓·菲涅爾做出了重要貢獻�；诓▌永碚�，人們現(xiàn)在可以很好地描述以下重要的光學現(xiàn)象
• 光的衍射效應，例如在光學狹縫處的衍射效應（后來有更詳細的研究，例如由托馬斯·楊進行的研究）
• 干涉現(xiàn)象
• 光的偏振（奧古斯丁·讓·菲涅耳的開創(chuàng)性貢獻）
19世紀60年代，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋將光波等同于電磁波。然而，在此之前，波動光學領域的大量卓有成效的研究已經(jīng)成為可能，也就是說，無需了解光波的詳細物理性質。
波動光學的現(xiàn)代應用在數(shù)學上可以以麥克斯韋方程組為最根本的基礎；人們可以直接從中導出一個波動方程，這是一個時間和空間上的二階微分方程。對于單色光，可以得到亥姆霍茲方程。在許多情況下，人們使用簡化的方程，這些方程是近似的，但在某些有限的范圍內相當精確。例如，對于主要在z方向上傳播的場，人們通�？梢院雎韵鄬τ趜坐標的二階導數(shù)。人們也經(jīng)常使用旁軸近似法。忽略電磁波橫向性質的標量波模型也廣泛用于光學中，例如用于計算光纖模式。對于某些應用，需要更復雜的模型來全面描述電磁波傳播。
波動光學通常被理解為完全經(jīng)典的方法，不考慮任何量子效應。量子光學與擴展理論一起工作，電磁場在一個新的基礎上被處理。盡管某種粒子特征（→光子）也變得明顯起來，但光的波動特性仍然起著重要作用。
波動光學中一個非常重要的概念是傅里葉光學，它本質上意味著橫向空間傅里葉變換的應用。這既可以對各種現(xiàn)象和設計技術進行直觀的定性解釋，也可以進行定量計算。這種計算只能部分地用分析方法來完成。
圖1:可變輸入光束位置下多模光纖末端的強度分布，顯示為動態(tài)圖形。這種計算需要基于波動光學；光線光學是不夠的。圖片來自 RP Fiber Power 軟件的案例研究。
通常，基于某種波動方程使用數(shù)值軟件來模擬光傳播。雖然這種方法原則上相當通用，但如果不使用各種限制假設（例如，光基本上只沿一個方向傳播），計算時間和內存需求可能會過多。就幾何光學而言，足以進行真實的描述，這種方法通常優(yōu)于波動光學，因為它對計算的要求要低得多。
與此相關的一個術語是物理光學，它可能被解釋為與波動光學相同，或者在應用某些近似時具有更嚴格的意義。該術語強調，這種基于波的模型在物理上比幾何光學更真實，即使它們不是基于完整的麥克斯韋方程。
