Aufgrund der Wellennatur des Lichtes weicht sein reale Verhalten vom aufgrund der geometrischen Optik erwarteten ab. Sehr auffällig ist z.B. das Auftreten von Regenbogenfarben auf der Rückseite von CDs. Die physikalische Grundlage für Beugung ist die Interferenz von Wellen, d.h. deren Überlagerung, die zu gegenseitiger Verstärkung (konstruktive Interferenz) oder gegenseitiger Abschwächung (destruktive Interferenz) oder gar Auslöschung führt. Daher wird Interferenz und Beugung in Zusammenhang mit allen Wellen beobachtet.
Im Gegensatz dazu kann die Brechung von Wellen in Medien mit verschiedenem Brechungsindex ohne Beachtung der Wellennatur des Lichtes durch die geometrische Optik beschrieben werden. Mit der Wellenoptik kan man sowohl Brechung als auch Beugung beschreiben, während die geometrische Optik die Beugung nicht beschreiben kann.
Beugung kann unter anderem gut beobachtet werden, wenn geometrische Strukturen eine Rolle spielen, deren Größe mit der Wellenlänge der verwendeten Wellen vergleichbar ist. Einige Beispiele für Beugung:
- Beugung am Doppelspalt: Eine Welle trifft auf zwei dicht beieinanderliegende Spalte, dahinter überlagern sich die beiden Teilstrahlen. Es ergibt sich eine Reihe von Beugungsreflexen mit der Eigenschaft, daß der Weglängenunterschied der beiden Teilstrahlen ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist.
- Beugung am Einfachspalt: Teilt man in Gedanken ein Lichtbündel, das an einem Einfachspalt in eine bestimmte Richtung abgelenkt wird, in zwei Hälften, können sich diese beiden Anteile des Lichtbündels konstruktiv oder destruktiv überlagern. An einem Spalt ergibt sich so wieder eine Reihe von Beugungsreflexen. Im Fall eines runden Loches ergeben sich konzentrische Beugungsringe.
- Optisches Gitter: Sind in regelmäßigen Abständen viele Spalte angeordnet, ergibt sich eine Reihe von Beugungsreflexen, deren Anordnung derjenigen entspricht, die man bei einem Doppelspalt mit dem gleichen Abstand erwartet. Mit zunehmender Anzahl der Einzelspalte werden die Reflexe aber zu immer schärferen Linien. Da die Lage der Reflexe von der Wellenlänge des Lichtes abhängt, kann man optische Gitter zur Trennung verschiedener Wellenlängen nutzen. Das ist im Monochromator und bei der Spektroskopie der Fall. Es werden in der Praxis sehr häufig regelmäßige Anordnungen von spiegelnden und nichtspiegelnden Streifen als Reflexionsgitter verwendet. Die Rückseite der CD wirkt ähnlich.
- Röntgenbeugung: Diese wird in der Kristallographie zum Bestimmen und Vermessen von Kristallgittern verwendet. Die Wellenlänge der Röntgenstrahlung ist mit den Gitterabständen im Kristall vergleichbar, und das Kristallgitter wirkt als mehrdimensionales optisches Gitter.