Опти́ческая толща́ (оптическая толщина), безразмерная величина, характеризующая степень непрозрачности среды для проходящего сквозь неё излучения. Обычно оптическая толща определяется по отношению к конкретному процессу взаимодействия излучения с веществом (например, оптическая толща по томсоновскому рассеянию, оптическая толща по тормозному поглощению). Оптическая толща среды между точками $x_M$ и $x_N$ равна:

$$\tau_A(x_{MN})=\int\limits_{x_M}^{x_N}n(x)\,\sigma_A(x)\,dx\,,$$где $n(x)$ – концентрация частиц, взаимодействующих с излучением, $\sigma_A$ – сечение взаимодействия относительно некоторого процесса А. В однородной среде оптическая толща $\tau_A=x_{MN}\cdot n\,\sigma_A$ имеет смысл отношения расстояния $x_{MN}$ $(x_{MN}=x_N-x_M)$ к среднему пробегу фотона в среде $l_A=(n\,\sigma_A)^{-1}$ относительно взаимодействий типа А, т. е. оптическая толща равна геометрической толщине $x_{MN}$, выраженной в единицах $l_A$. Оптическая толща $\tau_A(x_{MN})$ определяет ослабление вследствие процесса А интенсивности излучения, прошедшего от источника путь $x_{MN}$:

$$I(x_N)=I(x_M)\,e^{-\tau_A(x_{MN})}. \tag{1}$$Полное ослабление потока определяется суммарной оптической толщёй $\tau=\sum\limits_A \tau_A,$ в которой суммируются вклады всех процессов, приводящих к ослаблению интенсивности излучения. Максимальное слагаемое этой суммы соответствует основному процессу ослабления.

Среда между точками $x_M$ и $x_N$ считается оптически тонкой при $\tau(x_{MN})\ll1$ и оптически толстой при $\tau(x_{MN})>1.$ В общем случае оптическая толща зависит от частоты излучения $\omega$ (поэтому один и тот же слой среды может быть оптически толстым для излучения одной длины волны и оптически тонким – для другой). Если в некоторой оптически тонкой области происходит генерация теплового излучения, то его интенсивность равна:

$$I(\omega)=\left(1-e^{-\tau(x_{MN},\ \omega)}\right)B_\omega(T), \tag{2}$$где $B_\omega(T)$ – интенсивность излучения абсолютно чёрного тела. Если оптическая толща излучающей области $\tau\gg1,$ то свойства выходящего излучения определяются поверхностным слоем, оптическая толща которого $\approx1,$ и $I(\omega)$ близка к $B_\omega(T)$ с температурой $T,$ характерной для этого слоя.

Частотная зависимость сечения взаимодействия излучения с веществом может иметь резонансы, обусловленные рассеянием или поглощением в спектральных линиях. Обычно оптическая толща в линии много больше оптической толщи в непрерывном спектре. Спектр излучения, прошедшего сквозь такую среду, имеет линии поглощения [в соответствии с (1)]. Напротив, спектр излучения оптически тонкой среды имеет эмиссионные линии [в соответствии с (2)]. Если оптическая толща в линии превышает 1, то интенсивность излучения в центре линии имеет порядок $B_\omega(T)$ и линия будет насыщенной. При дальнейшем увеличении оптической толщи интенсивность в центре линии не меняется, а её ширина возрастает. Если оптически толстая среда имеет температуру, уменьшающуюся к поверхности, то излучение на частотах спектральных линий выходит из более холодной области. В этом случае в спектре выходящего излучения должны наблюдаться линии поглощения.

Понятие оптической толщи употребляется при изучении мутных сред, в теории переноса излучения. В фотометрии и светотехнике используют эквивалентные оптической толще понятия – коэффициент пропускания $T=e^{-\tau}$ и оптическая плотность $D=-\lg{T}=0,\!434\, \tau.$