精確控制光束的偏振狀態對於實現光學系統和光學元件的最佳效能是必要的。 對於不同的偏振狀態，反射率、插入損耗和分束比等特性也不同。 偏振也比光的其他特性更重要，因為它用於傳輸訊號和進行靈敏度測量。 即使光強度恆定，光束的偏振狀態也可用於傳輸資訊。 通過解調光束的偏振態，可以揭示光在與物質（磁性、化學、機械）相互作用後是如何調製的，並且可以根據偏振態的這種變化設計感測器和測量裝置。 有鑑於此，能夠濾波、修改和表徵光源偏振態的光學元件是有價值的。 通過利用這些元件中材料的反射、吸收和透射特性，可以實現相同的偏振控制。 下面將討論實現偏振控制的物理現象以及利用偏振控制的關鍵部件。
圖1：線偏振波（左）和線偏振光標準符號的描述。
如圖1所示，光波的電場振動方向垂直於傳播方向。 由於電場是乙個向量，因此可以用具有大小（長度）和方向的箭頭來表示。 該方向表示光的偏振方向。 有三種基本的偏振態：線偏振、圓偏振和橢圓偏振。 這三個極化項描述了電場在空間中傳播時尖端繪製的路徑。 圖 1 顯示了線偏振光的時間快照，儘管電場方向不同，但所有光都侷限於乙個平面。 因此，在z軸上的乙個固定點上，箭頭的尖端將沿著一條線相對於時間上下擺動，這條線相對於光軸的角度表示線偏振光的偏振狀態。 對於圓偏振光，電場向量尖端形成螺旋軌跡，對於z方向上的固定點，向量隨時間旋轉，就像手錶上的秒針一樣。 圓偏振光可以是左手或右手，具體取決於旋轉方向是順時針還是逆時針。
橢球偏振是最普遍的偏振情況，它與圓偏振相同，但它在長軸和短軸上的大小不同（對於圓偏振，它們是相等的）。
非相干光源，如燈、LED或太陽，通常發出非偏振光，這是所有偏振態的隨機疊加。 雷射的輸出是發光的。
它通常是高度極化的，即幾乎完全由線性極化態組成。 通過將偏振態在正交方向上分解為兩個分量，可以簡化雷射偏振的分析。 表格上部的符號表示非偏振光、垂直偏振光和水平偏振光，對於圖中的圖形，沿 y 軸垂直和沿 x 軸水平。當指定入射平面時（見圖1中表格的下半部分），偏振分量得到乙個特定的名稱，s偏振是指垂直於平面的分量，p偏振是平行於平面的分量。 描述線偏振光的示例顯示在本節的其餘圖表中。
偏振光通過選擇性地過濾相應的偏振態或通過將入射偏振態轉換為另一種偏振態來與光學材料相互作用。 這種偏振控制依賴於材料的某種光學特性，表現為在不同偏振狀態下對發射光具有不同的響應。 具體來說，對於不同的輸入偏振態存在雙折射，即光的不同偏振態具有不同的折射率，即各向異性。 這種各向異性影響光的透射和吸收特性，是偏振器件和波片的主要實現機制，如下所述。 此外，即使是各向同性材料（不同偏振具有相同的折射率）也可以通過反射進行偏振。
菲涅耳方程描述了反射率隨入射角的變化。 對於線偏振光，s偏振光和p偏振光的反射率隨入射角而變化。 有乙個入射角，其中 p 射線完全透射，或反射為零，而 s 射線被部分反射，該角稱為布魯斯特角 （b）。 這個角度可以根據斯涅爾定律確定，b = arctan（n 2 n 1）。 圖 2 顯示了光以 b 56° 的入射角從空氣入射到介電材料表面的現象。 這種偏振選擇性可用於在雷射腔中產生強偏振光，以及用於微調輸出雷射波長。
圖2：當入射角等於布魯斯特角時，相應的偏振（左），板的反射率與入射角的函式表明，在布魯斯特角條件下，p偏振出現最小值。
偏振片的透射率很大程度上取決於入射光的偏振態。 偏振片通常過濾線偏振光，因此理想的偏振片將導致乙個偏振分量進行 100 次透射，同時濾除所有正交分量（見圖 3）。 事實上，一些不希望的極化也會被傳輸。 目標偏振光通過偏振片後的透射率與不需要的偏振光的透射率之比（只需將偏振片旋轉90°）定義為消光比。 消光比越高，表明透射光的偏振純度越高。 偏振片和布魯斯特板的區別在於，前者的透射光是高度偏振的，而後者則不是（只有反射是高度偏振的）。
圖3：偏光片對非偏振光的影響，通過Gran-laser方解石偏振片後分為p光和s光（右）。
偏光片依賴於雙折射材料，由於折射率複雜，雙折射材料可以表現出偏振依賴的吸收和折射。 第一種偏振片是基於對入射光的選擇性吸收，通常稱為二向色偏振片。 用於這種各向異性吸收的典型材料是拉伸聚合物細長銀晶體。 材料的強吸收軸垂直於期望的輸出極化方向，使不希望的極化態被強烈吸收。 還有一種不同型別的偏振器，它基於雙折射晶體（例如方解石）的各向異性。 根據偏振分量對齊的晶體軸，雙折射晶體將產生O光或E光。 這些光經歷不同的折射率並具有不同的全反射臨界角，導致乙個偏振分量被反射，另乙個偏振分量被透射。 兩個方解石稜鏡背靠背放置，形成乙個矩形光學元件，最終透射的光束將與入射光束的方向相同。 根據是否需要高損傷閾值和大接收角，稜鏡之間的間隙可以是空氣或光學透明粘合劑。
偏振片用於過濾入射偏振態，提高其純度，或分離線偏振光束的正交分量。 但是，偏振器不能作為光的輸入。
極化態被轉換為不同的偏振態。 如果要轉換偏振態，則需要乙個稱為波片或緩速器的光學元件。 為了理解它是如何工作的，重要的是要了解任何偏振態，而不僅僅是線性偏振，都可以分解為正交分量。 偏振態之間的差值是由正交分量之間的相位差產生的。 線性極化具有同相分量，即沒有相位差，但根據其角度具有不同的振幅。 圓偏振和橢圓偏振分量的相位差為波長的 2 或四分之一（圓偏振的不同分量具有相同的振幅，而橢圓偏振的不同分量具有不同的振幅）。 因此，為了將一種極化態轉換為另一種極化態，必須控制兩個元件之間的相位差。 這可以通過將偏振光束入射到雙折射晶體中來實現，從而導致 O 波或 E 波經歷不同的相位延遲。 波片（單片和半波片）如何將一種偏振態轉換為另一種偏振態如圖4所示，偏振轉換的乙個重要示例如圖4右側所示。 半波片可以將線偏振光束的角度旋轉到任何其他角度，並可用於旋轉垂直偏振雷射束以獲得水平偏振。 此外，波片和偏振片可以組合成可變衰減器和隔離器（減少返回光對諧振器的影響）。
圖4：使用波片（左）和半波片將線性偏振旋轉至入射角的兩倍（右）進行一般偏振轉換的常見應用。