电磁波的极化方式有三种：线极化、圆极化、椭圆极化。极化波都可看成由两个同频率的直线极化波在空间合成，两线极化波沿正Z方向传播，一个的极化取向在X 方向，另一个的极化取向在Y 方向。若X 在水平方向，Y 在垂直方向，这两个波就分别为水平极化波和垂直极化波。沿Z方向传播的均匀平面波的 E x E_{x} Ex​分量和 E y E_{y} Ey​分量都存在，可表示为 E x = E x m c o s ( ω t − k z + ϕ x ) , E y = E y m c o s ( ω t − k z + ϕ y ) E_{x}=E_{xm}cos(\omega t-kz+\phi x), E_{y}=E_{ym}cos(\omega t-kz+\phi_y) Ex​=Exm​cos(ωt−kz+ϕx),Ey​=Eym​cos(ωt−kz+ϕy​)

合成波电场为 E ⃗ = e x ⃗ E x + e y ⃗ E y \vec{E}=\vec{e_{x}}E_x+\vec{e_y}E_y E =ex​ ​Ex​+ey​ ​Ey​，因此在空间任意给定点上，合成波电场强度矢量的大小和方向都可能随时间变化，这种现象称为电磁波的极化。电磁波的极化表征在空间给定点上电场强度矢量的方向随时间变化的特性，并用电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹来述。若该轨迹是直线，则称为直线极化，若轨迹是圆，则称为圆极化。若轨迹是椭圆，则称为椭圆极化。

若电场的 E x E_x Ex​分量和 E y E_y Ey​分量的相位相同或相差 π \pi π，即 ϕ y − ϕ x = 0 \phi_y-\phi_x=0 ϕy​−ϕx​=0或 ± π \pm \pi ±π 时，则合成波为直线极化波。当 ϕ y − ϕ x = 0 \phi_y-\phi_x=0 ϕy​−ϕx​=0时，可得到合成波电场强度的大小为 E = E x 2 + E y 2 = E x m 2 + E y m 2 c o s ( ω t + ϕ x ) E=\sqrt{E_x^2+E_y^2}=\sqrt{E_{xm}^2+E_{ym}^2}cos(\omega t+\phi_x) E=Ex2​+Ey2​ ​=Exm2​+Eym2​ ​cos(ωt+ϕx​)

合成波电场 E ⃗ \vec{E} E 与 E x ⃗ \vec{E_x} Ex​ ​分量之间的夹角为 α = a r c t a n ( E y E x ) = ± a r c t a n ( E y m E x m ) \alpha=arctan(\frac{E_y}{E_x})=\pm arctan(\frac{E_{ym}}{E_{xm}}) α=arctan(Ex​Ey​​)=±arctan(Exm​Eym​​)

若电场的 E x E_x Ex​分量和 E y E_y Ey​分量的振幅相等，但相位差为 2 π \frac2{\pi} π2​即 E x m = E y m = E m E_{xm}=E_{ym}=E_m Exm​=Eym​=Em​， ϕ y − ϕ x = ± π 2 \phi_y-\phi_x=\pm \frac \pi 2 ϕy​−ϕx​=±2π​则合成波为圆极化波。当 ϕ y − ϕ x = π 2 \phi_y-\phi_x=\frac \pi 2 ϕy​−ϕx​=2π​，即 ϕ y = ϕ 2 + ϕ x \phi_y=\frac \phi 2+\phi_x ϕy​=2ϕ​+ϕx​，因此有 { E x = E m c o s ( ω t + ϕ x ) E y = E m c o s ( ω t + ϕ x + π 2 = − E m s i n ( ω t + ϕ x ) \begin{cases}E_x=E_mcos(\omega t+\phi_x)\\E_y=E_mcos(\omega t+\phi_x+\frac \pi 2=-E_msin(\omega t+\phi_x)\end{cases} {Ex​=Em​cos(ωt+ϕx​)Ey​=Em​cos(ωt+ϕx​+2π​=−Em​sin(ωt+ϕx​)​ 故合成波电场强度的大小 E = E x 2 + E y 2 = E m E=\sqrt{E_x^2+E_y^2}=E_m E=Ex2​+Ey2​ ​=Em​ 合成波电场 E ⃗ \vec E E 与 E x E_x Ex​分量之间夹角为 θ = a r c t a n ( E y E x ) = − ( ω t + ϕ x ) \theta=arctan(\frac{E_y}{E_x})=-(\omega t+\phi x) θ=arctan(Ex​Ey​​)=−(ωt+ϕx) 上式为左旋圆极化波，若合成波电场 E ⃗ \vec E E 与 E x E_x Ex​分量之间夹角为 θ = a r c t a n ( E y E x ) = ω t + ϕ x \theta=arctan(\frac{E_y}{E_x})=\omega t+\phi x θ=arctan(Ex​Ey​​)=ωt+ϕx 则上式为右旋缘极化波。

若 ϕ y − ϕ x \phi_y-\phi_x ϕy​−ϕx​不等于 0 0 0、 ± π \pm \pi ±π、和 ± π 2 \pm \frac{\pi}2 ±2π​，或者 ϕ y − ϕ x = ± π 2 \phi_y-\phi_x=\pm \frac{\pi}2 ϕy​−ϕx​=±2π​，但 E x m ≠ E y m E_xm \neq E_{ym} Ex​m=Eym​，此时为椭圆极化波。

实线表示电场，虚线表示磁场，分别画出包络图和矢量图