精确控制光束的偏振状态对于实现光学系统和光学元件的最佳性能是必要的。 对于不同的偏振状态，反射率、插入损耗和分束比等特性也不同。 偏振也比光的其他特性更重要，因为它用于传输信号和进行灵敏度测量。 即使光强度恒定，光束的偏振状态也可用于传输信息。 通过解调光束的偏振态，可以揭示光在与物质（磁性、化学、机械）相互作用后是如何调制的，并且可以根据偏振态的这种变化设计传感器和测量设备。 有鉴于此，能够滤波、修改和表征光源偏振态的光学元件是有价值的。 通过利用这些组件中材料的反射、吸收和透射特性，可以实现相同的偏振控制。 下面将讨论实现偏振控制的物理现象以及利用偏振控制的关键部件。
图1：线偏振波（左）和线偏振光标准符号的描述。
如图1所示，光波的电场振动方向垂直于传播方向。 由于电场是一个矢量，因此可以用具有大小（长度）和方向的箭头来表示。 该方向表示光的偏振方向。 有三种基本的偏振态：线偏振、圆偏振和椭圆偏振。 这三个极化项描述了电场在空间中传播时尖端绘制的路径。 图 1 显示了线偏振光的时间快照，尽管电场方向不同，但所有光都局限于一个平面。 因此，在z轴上的一个固定点上，箭头的尖端将沿着一条线相对于时间上下摆动，这条线相对于光轴的角度表示线偏振光的偏振状态。 对于圆偏振光，电场矢量尖端形成螺旋轨迹，对于z方向上的固定点，矢量随时间旋转，就像手表上的秒针一样。 圆偏振光可以是左手或右手，具体取决于旋转方向是顺时针还是逆时针。
椭球偏振是最普遍的偏振情况，它与圆偏振相同，但它在长轴和短轴上的大小不同（对于圆偏振，它们是相等的）。
非相干光源，如灯、LED或太阳，通常发出非偏振光，这是所有偏振态的随机叠加。 激光的输出是发光的。
它通常是高度极化的，即几乎完全由线性极化态组成。 通过将偏振态在正交方向上分解为两个分量，可以简化激光偏振的分析。 表格上部的符号表示非偏振光、垂直偏振光和水平偏振光，对于图中的图形，沿 y 轴垂直和沿 x 轴水平。当指定入射平面时（见图1中表格的下半部分），偏振分量得到一个特定的名称，s偏振是指垂直于平面的分量，p偏振是平行于平面的分量。 描述线偏振光的示例显示在本节的其余图表中。
偏振光通过选择性地过滤相应的偏振态或通过将入射偏振态转换为另一种偏振态来与光学材料相互作用。 这种偏振控制依赖于材料的某种光学特性，表现为在不同偏振状态下对发射光具有不同的响应。 具体来说，对于不同的输入偏振态存在双折射，即光的不同偏振态具有不同的折射率，即各向异性。 这种各向异性影响光的透射和吸收特性，是偏振器件和波片的主要实现机制，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）也可以通过反射进行偏振。
菲涅耳方程描述了反射率随入射角的变化。 对于线偏振光，s偏振光和p偏振光的反射率随入射角而变化。 有一个入射角，其中 p 射线完全透射，或反射为零，而 s 射线被部分反射，该角称为布鲁斯特角 （b）。 这个角度可以根据斯涅尔定律确定，b = arctan（n 2 n 1）。 图 2 显示了光以 b 56° 的入射角从空气入射到介电材料表面的现象。 这种偏振选择性可用于在激光腔中产生强偏振光，以及用于微调输出激光波长。
图2：当入射角等于布鲁斯特角时，相应的偏振（左），板的反射率与入射角的函数表明，在布鲁斯特角条件下，p偏振出现最小值。
偏振片的透射率很大程度上取决于入射光的偏振态。 偏振片通常过滤线偏振光，因此理想的偏振片将导致一个偏振分量进行 100 次透射，同时滤除所有正交分量（见图 3）。 事实上，一些不希望的极化也会被传输。 目标偏振光通过偏振片后的透射率与不需要的偏振光的透射率之比（只需将偏振片旋转90°）定义为消光比。 消光比越高，表明透射光的偏振纯度越高。 偏振片和布鲁斯特板的区别在于，前者的透射光是高度偏振的，而后者则不是（只有反射是高度偏振的）。
图3：偏光片对非偏振光的影响，通过Gran-laser方解石偏振片后分为p光和s光（右）。
偏光片依赖于双折射材料，由于折射率复杂，双折射材料可以表现出偏振依赖的吸收和折射。 第一种偏振片是基于对入射光的选择性吸收，通常称为二向色偏振片。 用于这种各向异性吸收的典型材料是拉伸聚合物细长银晶体。 材料的强吸收轴垂直于期望的输出极化方向，使不希望的极化态被强烈吸收。 还有一种不同类型的偏振器，它基于双折射晶体（例如方解石）的各向异性。 根据偏振分量对齐的晶体轴，双折射晶体将产生O光或E光。 这些光经历不同的折射率并具有不同的全反射临界角，导致一个偏振分量被反射，另一个偏振分量被透射。 两个方解石棱镜背靠背放置，形成一个矩形光学元件，最终透射的光束将与入射光束的方向相同。 根据是否需要高损伤阈值和大接收角，棱镜之间的间隙可以是空气或光学透明粘合剂。
偏振片用于过滤入射偏振态，提高其纯度，或分离线偏振光束的正交分量。 但是，偏振器不能作为光的输入。
极化态被转换为不同的偏振态。 如果要转换偏振态，则需要一个称为波片或缓速器的光学元件。 为了理解它是如何工作的，重要的是要了解任何偏振态，而不仅仅是线性偏振，都可以分解为正交分量。 偏振态之间的差值是由正交分量之间的相位差产生的。 线性极化具有同相分量，即没有相位差，但根据其角度具有不同的振幅。 圆偏振和椭圆偏振分量的相位差为波长的 2 或四分之一（圆偏振的不同分量具有相同的振幅，而椭圆偏振的不同分量具有不同的振幅）。 因此，为了将一种极化态转换为另一种极化态，必须控制两个元件之间的相位差。 这可以通过将偏振光束入射到双折射晶体中来实现，从而导致 O 波或 E 波经历不同的相位延迟。 波片（单片和半波片）如何将一种偏振态转换为另一种偏振态如图4所示，偏振转换的一个重要示例如图4右侧所示。 半波片可以将线偏振光束的角度旋转到任何其他角度，并可用于旋转垂直偏振激光束以获得水平偏振。 此外，波片和偏振片可以组合成可变衰减器和隔离器（减少返回光对谐振器的影响）。
图4：使用波片（左）和半波片将线性偏振旋转至入射角的两倍（右）进行一般偏振转换的常见应用。