偏振性
偏振（polarization）指的是波动能够朝着不同方向振荡的性质。电磁波、引力波都会展示出偏振现象。传播于气体或液体的声波不会展示出偏振现象，因为声波只会朝着传播方向振荡。振动对于传播方向的不对称性叫做偏振性，只有横波才有偏振性。
理论概述
大多数光源属于非偏振光源，例如，太阳、白炽灯等等，因为它们所发射出的光波是由一组不同空间特征、频率（波长）、相位、偏振的光波随机混合所组成。为了了解光波的偏振性质，最简单的方法就是先只思考单色平面波，这种波是具有特定传播方向、频率、相位、振荡方向的正弦信号。从研究平面波光学系统的性质与行为，可以对于一般案例给出预测，这是因为任何特定空间结构的光波都可以分解为一组不同频率、不同振幅的平面波，称为其角谱（angular spectrum）。
历史
丹麦科学家拉斯穆·巴多林（Rasmus Bartholin）于1669年发现了光束通过方解石晶体（Iceland spar）时会出现双折射现象，假设照射光束于冰洲石，则这光束会被折射为两道光束，一道光束遵守普通的折射定律，称为“寻常光”，另外一道光束不遵守普通的折射定律，称为“非常光”。巴多林无法解释这现象的物理机制。后来，克里斯蒂安·惠更斯注意到这奇特现象，他在1690年著作《光论》的后半部里，对这现象有很详细的论述；他认为，由于空间可能存在有两种不同物质，所以才会出现两道光束，它们分别对应于两个不同的波前以不同的速度传播于空间，所以，这不是很不平常的现象，但是，惠更斯又发现，这两道光束与原本光束的性质大不相同，将其中任何一道光束照射于第二块方解石晶体，则折射出来的两道光束，其辐照度会因为绕着光束轴旋转冰洲石而改变，有时候甚至只会剩成一道光束。克里斯蒂安·惠更斯猜想光波是纵波，他想出的简单波动理论不能对这现象给出解释。艾萨克·牛顿猜测，双折射现象意味着组成光束的粒子具有侧面（垂直于移动方向）性质。
1808年，法兰西学术院提议，1810年物理奖比赛的题目为"对于双折射给出数学理论，并且做实验证实"。马吕斯决定参与竞争。他做实验观察，日光照射于卢森堡宫的玻璃窗，然后被玻璃反射出来的光束，假若单射角度达到某特定数值，则这反射光与惠更斯观察到的折射光具有类似的性质，他称这性质为“偏振”性质。他猜想，组成光束的每一道光线都具有某种特别的不对称性；当这些光线具有相同的不对称性时，则光束具有偏振性；当这些光线的不对称性分别概率地指向不同方向时，则光束具有非偏振性；当在这两种案例之间时，则光束具有部分偏振性。不单是玻璃，任何透明的固体或液体都会产生这种现象。他又从实验结果推论出马吕斯定律，定量地给出偏振光通过检偏器后的辐照度，考虑到偏振方向与检偏器传输轴方向之间的夹角角度。这实验极具创意，又得到了很丰硕的重要成果，马吕思因此荣获1810年的物理奖。马吕思对于偏振现象做出诸多贡献，后人尊称他为“偏振之父”。
后来，奥古斯丁·菲涅耳与弗朗索瓦·阿拉戈合作研究偏振对于杨氏干涉实验的影响，他们认为光波是纵波，呈纵向震荡，但是这纵波的概念无法合理解释实验结果。阿拉戈告诉托马斯·杨这问题，托马斯·杨大胆建议，假若光波是横波，呈横向震荡，则光波可以分解为两个相互垂直的分量，或许这样做可以对实验结果给出解释。果真，这建议清除了很多疑点。1817年，菲涅耳与阿拉戈将实验结果定性总结为菲涅耳-阿拉戈定律（Fresnel-Arago laws），表述处于不同偏振态的光束彼此之间的干涉性质。之后，奥古斯丁·菲涅耳试图进一步定量表述这实验，他发展出的波动理论是一种振幅表述，主要是用光波的振幅与相位来作分析；振幅表述能够定量地解释偏振光的物理性质；但非偏振光或部分偏振光不具有稳定的振幅与相位，无法用振幅表述给予解释。
1852年，乔治·斯托克斯提出一种强度表述，能够描述偏振光、非偏振光与部分偏振光的物理行为；只需要使用四个参数，后来称为斯托克斯参数（Stokes parameters），就可以描述任何光束的偏振态，更重要地，这四个参数可以直接测量获得。
那时，电磁学理论杂乱无章，詹姆斯·麦克斯韦将这些理论加以整合，于1865年提出麦克斯韦方程组。从这方程组，他推导出电磁波方程，推论出光波是一种电磁波，可以用麦克斯韦方程组作精确描述。奥古斯丁·菲涅耳的波动理论是建立于一些貌似合理的假定，由于能够正确描述光波的一些物理行为，例如，传播、衍射、偏振等等，符合实验得到的结果，所以才被学术界接受。从麦克斯韦方程组可以严格地推导出菲涅耳的波动理论，给予这理论坚实稳固的基础。
应用
偏光太阳镜
照射非偏振光于镜面表面（光亮表面），通常得到的反射光会具有某种程度的偏振。1808年，法国物理学者马吕斯最先观察到这现象。偏光太阳镜利用这效应来降低水平表面反射出来的眩光，特别是当太阳从前方斜照下来时，张眼往前方路面望去会看到的强劲眩光。
天空中的偏振光
传播于地球大气层的太阳光会因为被大气分子瑞利散射而使得散射光产生偏振，从天空中的散射光可以观察到这现象。散射光在清晰的天空中会显得更明亮、更具色彩。在天空中，与太阳照射的光束呈直角方向的位置，最容易观察到这偏振现象（偏振方向与太阳光方向、直角方向相垂直）。这种具有部分偏振的散射光，假若使用起偏器，可以使得照片里的天空变得较黑，增加衬度（contrast）；这样，可以改良照片的品质。
出现在天空中的偏振光常被用来导航定向。从九世纪至十一世纪间，维京人时常航行于北大西洋。那时期，欧洲人尚未知道怎样使用磁罗盘，维京人主要是使用太阳与星星来导航定向，可是，在阴天，这方法无效。学者猜测他们可能知道怎样使用一种称为“太阳石”（sunstone）的简单仪器，但这争议性理论尚未被证实。1950年代，运输飞机航行在地磁极附近时，由于无法使用磁罗盘，假若无法看到太阳或星星时（例如，在阴天或黄昏），时常会使用“天空罗盘”（sky compass）来导航。这仪器是一种很精致的偏光仪，可以用来观测天空中的偏振光。十九世纪后期，查理斯·惠斯通（Charles Wheatstone）发明了偏振钟（polar clock）。这也是一种偏光仪，可以用来计时。根据惠斯通，偏振钟比日晷的优点更多。
液晶显示器
液晶显示器（LCD）科技倚赖液晶来旋转偏振光的偏振平面。如右图所示，在两块正交平面偏振片P1、P2之间置入透明电极层E1、E2和扭曲向列型液晶LC。照射非偏振光L于偏振片P1，透射光会呈平面偏振。
• 上方图：当E1、E2不通电时，液晶分子会呈螺旋状排列，平面偏振光的偏振平面会被液晶LC逐渐扭曲，因此平面偏振光才能透射过正交的偏振片P2。假设安装镜子I，则透射过的平面偏振光会被反射回来（注意到显示于镜子的反射光态射），其偏振平面会再被液晶朝反方向扭曲，因此才能透射过正交的偏振片P1。从初始发光源位置朝着偏振片P1望去，会观察到明亮的反射光。
• 下方图：当电极E1、E2通电时，液晶分子会顺着电场方向排列，因此液晶不会扭曲平面偏振光的偏振平面，由于两块偏振片的偏振轴相互垂直，这时光线不能透射过偏振片P2。虽然安装镜子I，从原先发光源位置朝着平面偏振片P1望去，仍旧不会观察到任何反射光。
应用这机制，液晶显示器能够显示简单的文字或图案信息，它的主要优点是功耗较低，因此可以使用太阳能板来供电。
三维电影
三维电影所使用的立体显示技术将两个不同影像分别传输至左眼、右眼。现今，这技术的首选方法是“偏振编码”；使用两台投影机将两个不同影像都投射到投影屏，每一台投影机都安装了偏振轴相互垂直的起偏器；或者使用单台能够时分复用偏振的投影机（内部安装了快速过滤交替偏振的元件）。三维眼镜的左边镜片与右边镜片分别具有对应的检偏器，确使每一只眼睛只会接收到对应的偏振影像。早先，采用平面偏振编码，因为费用较便宜、分离效果很好。但是，圆偏振所形成的分离影像不会受到观众头部倾斜的影响。现今，三维电影已广泛采用圆偏振技术，例如RealD 戏院系统。圆偏振技术需要使用特殊的投影屏，例如“银屏”（silver screen），这种投影屏能够维持投射影像的圆偏振，不会在反射时被非偏振化；普通的白色漫反射投影屏会造成投射影像在反射时被非偏振化，无法用来展示三维电影。
偏振测量技术
测量应力
假若两块不同类型的偏振片分别制成的两种偏振光相互正交，则称它们为“正交偏振片”。例如，水平偏振片与垂直偏振片分别制成的水平偏振光与垂直偏振光相互正交，它们是两块正交偏振片。类似地，左旋圆偏振片与右旋圆偏振片也是两块正交偏振片。这实验设置简单地组成偏光仪（polariscope），又称“偏振光镜”；光束最先入射的偏振片为起偏器，然后再入射的偏振片为检偏器；水平偏振片与垂直偏振片共同组成“平面偏光仪”；左旋圆偏振片与右旋圆偏振片共同组成“圆偏光仪”。如右图所示，假设照射光束于由水平偏振片制成的起偏器，因为透射过的水平偏振光会被由垂直偏振片制成的检偏器吸收，不能透射过垂直偏振片；所以，光束无法通过两块正交偏振片共同组成的偏光仪，透射的幅照度为零。但是假设将双折射物质置入偏光仪内，即两块正交偏振片之间，光束在通过双折射物质的过程中，偏振会被旋转，因此可以从偏光仪观察到透射光的色彩工程图，并且测量到其幅照度。
椭圆偏振测量术
椭圆偏振测量术是一种用途极广的技术，可用来测量均匀表面的光学性质；简略描述其程序，就是在均匀表面做镜面反射后，测量光波的偏振态的改变；通常这函数的参数为入射角与波长。由于椭圆偏振测量术倚赖反射机制，样品不需要具有透明性质，探测仪器也不需要从样品背部测量透射光的辐照度，这技术还可以应用于吸光度极高的物质，并且不具有破坏性，只需要很少量的样品就可以做测量。
椭圆偏振测量术也可以用来测量薄膜的复折射率与厚度。应用椭圆偏振技术，照射光束于薄膜样品，然后分析反射光的偏振改变，即可估算复数折射率或介电函数张量，以此获得基本的物理参数，这包括表面粗糙度（roughness）、晶体质量、化学成分或导电性。它常被用来鉴定单层或多层堆叠的薄膜厚度，可量测厚度由数Å到几微米，甚至小至一个单原子层，并且准确性极高。
地质学
很多晶体矿石具有线性双折射性质，这促成了偏振现象的初始发现。在矿物学里，偏振显微镜时常会应用这双折射性质来辨识矿石。更详尽说明，请参阅光学矿物学（optical mineralogy）。