Ci sono due effetti ottici legati al nome di Cotton.

Il primo è l'effetto Cotton propriamente detto e il secondo è l'effetto Cotton-Mouton. Entrambi riguardano i mezzi ottici girotropici, quei mezzi, cioè, che hanno la proprietà di ruotare il piano di polarizzazione della luce. L'effetto Cotton riguarda i mezzi naturalmente girotropici, l'effetto Cotton-Mouton i mezzi non girotropici, ma che diventano tali in presenza di un campo magnetico esterno.

I mezzi girotropici possono essere sia isotropi (liquidi, di solito) che cristallini. Nel caso dei mezzi isotropi si parla anche di attività ottica naturale. Esempi ben noti di liquidi girotropici sono le soluzioni non racemiche di zuccheri e/o di altre molecole chirali come le proteine. Un esempio di cristallo girotropico è il quarzo.

La caratteristica principale dei mezzi ottici girotropici è che essi presentano birifrangenza e dicroismo circolare. Con ciò si intende che la velocità di propagazione (birifrangenza) e il coefficiente di assorbimento (dicroismo) in questi materiali sono differenti per luce polarizzata circolarmente sinistra e destra. La birifrangenza circolare è alla base del fenomeno di rotazione del piano di polarizzazionee della luce e determina, quindi, il cosiddetto "potere rotatorio" del mezzo. Il dicroismo circolare può essere sfruttato per realizzare filitri polarizzatori circolari, del tutto analoghi ai Polaroid, ma per luce circolare. Filtri polarizzatori circolari che permettono il passaggio di una soltanto delle due polarizzazioni circolari sono usati, ad esempio, negli occhiali per la visione dei film a 3D.

Effetto Cotton.

Questo effetto si riferisce al fatto che il potere rotatorio e il dicroismo circolare dipendono dalla lunghezza d'onda della luce e diventano molto grandi nelle vicinanze delle bande di assorbimento del mezzo. Più precisamente, il dicroismo circolare in funzione della lunghezza d'onda ha un andamento a campana (di tipo "assorbitivo") con un massimo nel centro della banda di assorbimento. La birifrangenza circolare e il potere rotatorio, invece, seguono la tipica curva di tipo "dispersivo" a forma di esse, con un massimo pronunciato subito prima della banda di assorbimento, uno zero al centro banda e un minimo pronunciato (massimo negativo) al di là della banda. Lontano dalle bande di assorbimento, nelle zone di trasparenza, cioè, sopravvive la sola birifrangenza circolare, ma è molto più piccola che vicino alle bande di assorbimento del materiale.

L'effetto Cotton è precisamente l'amplificazione degli effetti girotropici in vicinanza delle zone di "risonanza", prossime alle bande di assorbimento del materiale.

È bene notare che simili effetti risonanti in prossimità delle bande di assorbimento si osservano anche per la birifrangenza lineare e per la normale dispersione della luce (formazione dell'arcobaleno) nei mezzi isotropi come il vetro o l'acqua. Si tratta, infatti, di una proprietà molto generale di tutte le "risposte lineari" dei sistemi sia ottici che meccanici (il pendolo forzato, ad esempio), dovuta al fatto che la risposta del sistema ad una sollecitazione oscillante non è istantanea, ma, necessariamente, ritardata nel tempo (principio di causalità).

Effetto Cotton-Mouton.

Questo effetto si riferisce, invece, al fenomeno per cui un materiale (isotropo o cristallino) non girotropico diventa tale per l'applicazione di un campo magnetico esterno perpendicolare alla direzione di propagazione della luce . In tal caso, il potere rotatorio indotto è proporzionale al quadrato del campo applicato.

L'effetto Cotton-Mouton è strettamente connesso all'effetto Faraday e differisce da questo solo per il fatto che nell'effetto Faraday il campo magnetico è applicato lungo la direzione del fascio di luce. Il potere rotatorio provocato dall'effetto Faraday è, inoltre, lineare nel campo applicato.

In realtà, l'effetto Cotton-Mouton e Faraday sono aspetti diversi di un unico fenomeno magneto-ottico e possono essere trattati in modo unificato.