偏振是光的重要属性之一,是独立于光强、波长、相位的一个新的信息维度,人类对于偏振信息的认识和挖掘方兴未艾。在和样品发生相互作用时,光的偏振态对波长量级的微观结构尤为敏感,因此偏振光学检测被广泛应用于材料科学、生物医学等领域。但仪器所直接测量到偏振参量通常混合了多种因素的影响,这些参量和样品的微观结构之间的联系并不明确。如何从偏振检测结果中定量地解读出有用的信息,成为偏振光学研究领域的核心问题之一。描述样品的偏振光学性质的数学工具有琼斯矩阵和穆勒矩阵两种,其中琼斯矩阵不能描述退偏,应用范围受限。本论文以穆勒矩阵中的信息提取问题为主要研究课题,总结了历史上发展过的穆勒矩阵信息提取方法,然后以样品的对称性质为线索,发展出一条新的偏振信息提取的研究思路。论文首先针对实验上样品的空间取向影响偏振测量结果的问题,发展了穆勒矩阵的转动变换理论,提出一组与方位角无关的转动不变偏振参量,并将这些参量的物理意义予以明确。进一步,通过对样品镜像对称性的讨论,提出了一组能够提取样品中各向异性效应的方位角信息的参量,实现了样品的本征偏振信息和取向信息的分离。我们用蒙特卡洛模拟验证了上述结论,并在标准样品的实验数据上演示了其应用效果。论文随后关注了更为复杂的多种各向异性叠加的情况,指出了穆勒矩阵的转置对称性和样品的倒易对称性之间的联系。通过系统地理论推导,我们找到了能区分不同各向异性效应叠加情况的偏振指标,这些指标能够帮助研究者直观地判断样品中是否存在镜像对称性和倒易对称性的破坏情况。论文最后,我们同法国巴黎综合理工的LPICM课题组合作,开展了对实际生物样本的病理切片的信息提取研究。针对实验上存在的样品厚度不确定的问题,运用穆勒矩阵对数分解方法,确定了偏振参量随厚度的变化规律。针对实验上观察到的新现象,我们进一步建立了对数分解框架下的转动不变量理论,实现了对各向异性退偏效应的表征。通过对比多种光学模型的蒙特卡洛模拟结果,我们区分出了不同散射体对实验上观测到的偏振效应的贡献,为将来同类研究提供了参考。