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从20世纪中叶起,随着新技术的出现,新的理论也不断发展,已逐步形成了许多新的分支学科或边渊学科,光学的应用十分广泛。几何光学本来就是为设计各种光学仪器而发展起来的专门学科,随着科学技术的进步,物理光学也越来越显示出它的威力,例如光的干涉目前仍是精密测量中无可替代的手段,衍射光栅则是重要的分光仪器,光谱在人类认识物质的微观结构(如原子结构、分子结构等)方面曾起了关键性的作用,人们把数学、信息论与光的衍射结合起来,发展起一门新的学科——傅里叶光学,把它应用到信息处理、像质评价、光学计算等技术中去。特别是激光的发明,可以说是光学发展史上的一个革命性的里程碑,由于激光具有强度大、单色性好、方向性强等一系列独特的性能,自从它问世以来,很快被运用到材料加工、精密测量、通讯、测距、全息检测、医疗、农业等极为广泛的技术领域,取得了优异的成绩。此外,激光还为同位素分离、储化,信息处理、受控核聚变、以及军事上的应用,展现了光辉的前景。
 20世纪中叶,特别是激光问世以后,光学开始进入了一个新的时期,以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。其中最重要的成就,就是发现了爱因斯坦于1916年预言过的原子和分子的受激辐射,并且创造了许多具体的产生受激辐射的技术。 爱因斯坦研究辐射时指出,在一定条件下,如果能使受激辐射继续去激发其他粒子,造成连锁反应,雪崩似地获得放大效果,最后就可得到单色性极强的辐射,即激光。1960年,梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器;同年制成氦氖激光器;1962年产生了半导体激光器;1963年产生了可调谐染料激光器。由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性,所以自1958年发现以来,得到了迅速的发展和广泛应用,引起了科学技术的重大变化。
  光学的另一个重要的分支是由成像光学、全息术和光学信息处理组成的。这一分支最早可追溯到1873年阿贝提出的显微镜成像理论,和1906年波特为之完成的实验验证;1935年泽尔尼克提出位相反衬观察法,并依此由蔡司工厂制成相衬显微镜,为此他获得了1953年诺贝尔物理学奖;1948年伽柏提出的现代全息照相术的前身——波阵面再现原理,为此,伽柏获得了1971年诺贝尔物理学奖。
 自20世纪50年代以来,人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来,给光学引入了频谱空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念,更新了经典成像光学,形成了所谓“博里叶光学”。再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特内克斯改进了的全息术,形成了一个新的学科领域——光学信息处理。光纤通信就是依据这方面理论的重要成就,它为信息传输和处理提供了崭新的技术。
 在现代光学本身,由强激光产生的非线性光学现象正为越来越多的人们所注意。激光光谱学,包括激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲,以及可调谐激光技术的出现,已使传统的光谱学发生了很大的变化,成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制的重要手段。它为凝聚态物理学分子生物学和化学的动态过程的研究提供了前所未有的技术。
 总之,现代光学和其他学科和技术的结合,在人们的生产和生活中发挥这日益重大的作用和影响,正在成为人们认识自然、改造自然以及提高劳动生产率的越来越强有力的武器。