Состояние поляризации произвольного светового пучка принято описывать четырьмя параметрами, впервые предложенные Стоксом в 1852 году. Вектор Стокса является линейной комбинацией четырех величин, квадратичных относительно амплитуд электромагнитного поля: <E_xE_x*>, <E_yE_y*>, <E_xE_y*>, <E_yE_x*> Эти четыре параметра имеют размерность интенсивности (звёздочка обозначает комплексно сопряжённую величину); каждый параметр соответствует не мгновенной интенсивности, а интенсивности, усредненной по промежутку времени (угловые скобки), практически необходимому для измерения. Такой вектор, хотя и состоит из четырех физически реальных величин, является, конечно, математическим вектором. Он существует в четырехмерном математическом пространстве, а не в трехмерном физическом.

Компоненты вектора - параметра Стокса S записываются в виде матрицы – столбца и определяются следующими соотношениями

(19)

где E_x и E_y проекции на оси x и y вектора напряженности электрического поля плоской волны, распространяющейся вдоль оси z.

Часто для экономии места вектор Стокса записывается в виде строки; при этом используются фигурные скобки, чтобы напомнить о том, что вектор в действительности является столбцом: {S₀, S₁, S₂, S₃} или используют дополнительный значок (букву t) транспонирования матрицы - столбца [S₀, S₁, S₂, S₃]^t. Важность записи элементов матрицы - столбца в определенном порядке обоснована применением вектора – параметра Стокса вместе с 4x4-матрицами Мюллера.

Первый элемент – S₀ = I определяет полную интенсивность пучка. Элементы S₁, S₂ и S₃ определяют, соответственно, как: преимущественную горизонтальную поляризацию, преимущественную поляризацию под углом 45° и преимущественную правоциркулярную (круговую) поляризацию. Когда тот или иной элемент имеет отрицательную величину, это значит, что преимущественной является ортогональная форма поляризации; так, например, если параметр S₃ имеет величину -0,5, то форма поляризации ближе к левоциркулярной, чем к правоциркулярной.