Phân cực của ánh sáng được xác định bởi tiến trình theo thời gian phương véc tơ điện trường E r tr r( ),
. Đối với sóng đơn sắc, ba thành phần của
( ),
E r tr r
thay đổi dạng hàm sin theo thời gian với biên độ, pha nói chung khác nhau, do đó, tại mỗi điểm rr điểm cuối của véc tơ E r tr r( ),
chuyển động trên mặt phẳng và vẽ nên một ellip, như trong hình 2.1(a). Mặt phẳng, phương và dạng của ellip nói chung thay đổi theo vị trí [19].
Tuy nhiên, trong quang học cận trục, ánh sáng truyền theo các phương nằm trong một hình nón nhỏ quanh quang trục (trục truyền lan z). Các sóng ánh sáng này gần đúng điện trường ngang (transferse electromagnetic-TEM) và véc tơ điện trường gần như nằm trong mặt phẳng ngang (mặt phẳng x-y), như trong hình 2.1(b). Trong trường hợp môi trường đẳng hướng, ellip phân cực hầu như không đổi tại mọi vị trí, như trong hình 2.1(b). Ta nói sóng này phân cực ellip.
Phương và dạng của ellip sẽ xác định trạng thái phân cực của sóng quang học, trong khi đó, kích thước của ellip sẽ được xác định bởi cường độ chùm ánh sáng. Khi ellip suy biến thành đường thẳng hoặc đường tròn, tương ứng ta nói sóng phân cực thẳng hoặc phân cực tròn.
Hình 2.1. Tiến trình theo thời gian của véc tơ điện trường tại một số vị trí
(a) sóng bấy kỳ; (b) sóng cận trục hay sóng phẳng truyền theo phương z.
Phân cực của ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong quá trình tương tác ánh sáng với vật chất, ví dụ:
* Mức độ phản xạ của ánh sáng trên mặt phân cách giữa hai môi trường phụ thuộc vào phân cực của sóng tới.
* Mức độ hấp thụ ánh sáng của môi trường nào đó phụ thuộc vào phân cực. * Tán xạ ánh sáng từ vật chất nói chung rất nhạy với phân cực.
* Chiết suất của vật liệu dị hướng phụ thuộc vào phân cực. Sóng với phân cực khác nhau sẽ truyền lan với vận tốc khác nhau và do độ dịch pha khác nhau nên ellip phân cực bị biến dạng (ánh sáng phân cực tuyến tính có thể biến thành ánh sáng phân cực tròn). Tính chất này được sử dụng để thiết kế nhiều linh kiện quang khác nhau.
* Một số vật liệu nhạy quang có khả năng quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng phân cực thẳng. Nếu có mặt của từ trường, phần lớn các vật liệu sẽ làm quay phân cực.
Giả thiết một sóng phẳng đơn sắc, tần số ν , truyền lan theo phương z
với vận tốc c. Điện trường trong mặt phẳng x-y, nói chung, có thể biểu diễn dưới dạng hàm sau: ( , ) Re exp 2 z E z t A j t c πν = − ÷ r r