Khi ánh sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác, một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ lại môi trường cũ, hiện tượng đó được gọi là phản xạ ánh sáng, tia sáng phản xạ lại môi trường cũ gọi là tia phản xạ. Phần ánh sáng đi vào môi trường khác bị gãy, hiện tượng này là khúc xạ ánh sáng, và tia sáng đó là tia khúc xạ.
Với hiện tượng phản xạ, tia phản xạ và tia tới nằm ở hai phía của pháp tuyến, và góc phản xạ bằng góc tới. Với hiện tượng khúc xạ, nếu ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất nhỏ hơn đến môi trường có chiết suất lớn hơn, tốc độ của ánh sáng sẽ chậm lại, lúc này góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới, tia khúc xạ sẽ bị gấp khúc về phía đường pháp tuyến; nếu ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất lớn hơn đến môi trường có chiết suất nhỏ hơn, tốc độ ánh sáng sẽ được gia tăng, lúc này góc khúc xạ lớn hơn góc tới, tia khúc xạ bị gấp khúc hướng xa đường pháp tuyến. Ở đây, môi trường chiết suất “lớn” hay “nhỏ” chỉ là tương đối, như nước với không khí, thì môi trường nước là môi trường chiết suất lớn hơn, nhưng giữa nước với thủy tinh thì môi trường nước lại là môi trường chiết suất nhỏ hơn.
Vật phản xạ toàn phần là thế nào? Khi ánh sáng đi từ môi trường dày đến môi trường thưa, ví dụ, ánh sáng từ nước đi tới không khí, góc khúc xạ lớn hơn góc tới, đồng thời, cùng với việc gia tăng góc tới, góc khúc xạ cũng sẽ lớn theo. Khi mà góc tới lớn đến giới hạn nhất định, góc khúc xạ lớn tới 90o , lúc này tia khúc xạ nằm hoàn toàn trên mặt nước, vì thế mà ánh sáng không thấy hiện tượng khúc xạ hoặc đã bị phản xạ hoàn toàn, lúc này góc tới được gọi là góc giới hạn. Ánh sáng từ nước đi vào không khí, góc giới hạn khoảng 48,5°, ánh sáng từ kim cương đi tới không khí, góc giới hạn chỉ 24°.
Hiện nay, chúng ta biết, phản xạ toàn phần là hiện tượng rất thường gặp, Ví dụ, giọt nước từ đài phun nước luôn hiển hiện long lanh lấp lánh. Đấy chính là hiện tượng phản xạ ánh sáng toàn phần diễn ra ở giọt nước. Lại ví dụ, nguyên nhân của sự hình thành cầu vồng, đều là có liên quan tới hiện tượng phản xạ toàn phần…
Năm 1870, nhà khoa học Anh John Tyndall đã làm một thí nghiệm thú vị: lấy một bình thủy tinh đựng nước với một lỗ thoát nhỏ, để nước thoát ra từ đó, sau đó, chiếu ánh sáng vào mặt chính diện của miệng lỗ thoát nước đó. Lúc này, thật kì lạ, nước óng ánh thoát ra từ miệng bình theo hình cong, ánh sáng cũng cong cong. Cứ tưởng như ánh sáng cũng truyền theo đường cong vậy. Thật ra thì, ánh sáng vẫn truyền theo đường thẳng, ánh sáng ở trong nước thoát ra từ miệng bình đã qua nhiều lần phản xạ toàn phần, vì thế mà ta có cảm giác ánh sáng cũng cong vậy.
Sợi quang cũng được chế tạo từ nguyên lý này. Các nhà khoa học dùng thạch anh kéo thành những sợi thủy tinh dài từ vài micromet đến vài chục micromet giống như mạng nhện, sau đó lại bọc bên ngoài lớp vật liệu có môi trường chiết suất nhỏ. Chỉ cần góc tới đạt tới một điều kiện nhất định, tia sáng có thể cong cong từ đầu này chuyển tới đầu kia của sợi quang. Về mặt y học, có thể dùng sợi cáp quang để làm đầu dò máy nội soi dạ day, đường ruột… Các nhà khoa học còn có thể gộp hàng vạn sợi quang thành cáp quang, dùng thay thế cho cáp điện trong lĩnh vực thông tin quang. Với sự phát triển của ngành công nghệ thông tin, tin rằng thông tin quang sẽ là lĩnh vực còn nhiều phát triển trong tương lai.