È opportuno richiamare preliminarmente alcuni concetti di base sulla polarizzazione. La polarizzazione della luce è data dalla direzione in cui oscilla il campo elettrico dell'onda elettromagnetica. Il campo elettrico deve per forza essere perpendicolare alla direzione in cui si sta muovendo l'onda (le onde elettromagnetiche sono infatti trasversali), per cui le direzioni possibili del campo sono tutte quelle appartenenti al piano ortogonale a tale direzione di propagazione. Oltre alle polarizzazioni in cui il campo oscilla in una sola direzione, dette "lineari", è possibile avere altre polarizzazioni (dette "ellittiche") in cui il campo elettrico dell'onda descrive un'ellisse nel piano perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda. In tutti i casi, comunque, un'onda polarizzata può essere sempre considerata come la sovrapposizione di due onde polarizzate linearmente in due direzioni ortogonali qualsiasi (così come un vettore nel piano può essere scomposto nella somma di due vettori ortogonali).

Infine va aggiunto che la luce naturale spesso è "non polarizzata", che vuol dire in realtà che la sua polarizzazione varia rapidamente e a caso nel tempo. Non polarizzata è per esempio la luce diretta del sole e quella delle lampadine. Anche la luce non polarizzata è scomponibile nella sovrapposizione (incoerente) di due onde polarizzate ortogonalmente tra loro.

Torniamo ora ai polariscopi. Il primo e più comune tipo di polariscopio è un semplice strumento per rivelare la presenza di una piccola birifrangenza nei materiali.

La birifrangenza è la proprietà di certi materiali cristallini di presentare simultaneamente due diversi indici di rifrazione. Un materiale birifrangente si riconosce facilmente per il fatto che un fascio di luce che lo attraversa si suddivide in due a causa della doppia rifrazione. Un'immagine vista attraverso un materiale birifrangente appare quindi sdoppiata. Tuttavia, se un pezzo di materiale presenta una birifrangenza molto piccola, questa suddivisione non è più osservabile facilmente, ed è in questo caso che può essere utile il polariscopio. Esso sfrutta il fatto che la birifrangenza, anche se piccola, produce comunque una forte variazione della polarizzazione della luce, in generale trasformando la polarizzazione lineare in ellittica.

Il principio di funzionamento è il seguente. C'è una fonte di luce bianca (ma si può usare anche la luce solare o di una lampada), seguita da due polarizzatori incrociati e da un supporto per inserire il pezzo di materiale da analizzare in mezzo tra i due polarizzatori e per ruotarlo. L'analisi si compie osservando la luce trasmessa attraverso tutto lo strumento, ed eventualmente ruotando nel corso dell'osservazione il materiale inserito.

Un polarizzatore è un filtro che elimina la luce polarizzata secondo una particolare direzione e lascia passare quella polarizzata nella direzione ortogonale. Se due polarizzatori sono orientati in modo incrociato tra loro, vuol dire che le loro direzioni “passanti” sono ortogonali. Quindi, se tra i due polarizzatori incrociati non c'è niente, il secondo polarizzatore blocca tutta la luce fatta passare dal primo e a valle dei due polarizzatori non arriva luce. Guardando la fonte di luce attraverso i due polarizzatori incrociati si vede solo un campo scuro. Lo stesso accade se tra i due materiali viene posto un pezzo di materiale non birifrangente, che quindi non modifica la polarizzazione della luce.

Se invece tra i due polarizzatori è posto un pezzo di materiale birifrangente, la polarizzazione della luce emergente dal primo polarizzatore viene modificata da questo prima di arrivare al secondo polarizzatore. In questo caso, il secondo polarizzatore non taglia più tutta la luce proveniente dal primo. Guardando nel polariscopio si vedrà quindi un'area luminosa in corrispondenza del materiale. La luce trasmessa cambia di intensità e di colore a seconda di come viene orientato il pezzo di materiale.

La luce che si vede passare attraverso il polariscopio è colorata perché onde di lunghezza d'onda diversa (e quindi di colore diverso) subiscono una variazione di polarizzazione diversa all'interno del materiale birifrangente e quindi vengono tagliate dal secondo polarizzatore in misura diversa. La luce trasmessa risultante dalla sovrapposizione di queste onde risulta quindi colorata.

Questo tipo di polariscopio trova applicazione nell'analisi delle gemme o altri minerali o per rivelare la presenza di deformazioni in materiali amorfi trasparenti soggetti a tensioni (perché le deformazioni inducono birifrangenza).

Il secondo tipo di polariscopio, detto “polariscopio di Savart”, è invece uno strumento che serve a rivelare se all'interno di un fondo di luce non polarizzata proveniente da una sorgente da analizzare (per esempio una sorgente astronomica) è presente una debole componente polarizzata. La componente polarizzata crea all'uscita dallo strumento delle frange di interferenza parallele, mentre la componente non polarizzata produce un fondo uniforme. Questo rende facile la separazione dei due contributi e quindi l'identificazione e anche la caratterizzazione della componente polarizzata.

Il principio di funzionamento di questo polariscopio è assai più complesso del precedente e si basa sull'utilizzo di due lamine birifrangenti e un polarizzatore. Non entro però in ulteriori dettagli, perché una spiegazione esauriente richiederebbe una trattazione molto lunga per spiegare meglio cosa succede alla luce in una lamina birifrangente, nonché i principi dell'interferenza della luce.