A refração da luz ocorre quando há mudança no índice de refração no caminho da luz, o que não necessariamente requer alteração do meio. Ondas do mar, por exemplo, refratam continuamente devido à variação da profundidade. O mesmo vale para a luz sobre um asfalto quente, o qual gera um gradiente de temperatura e consequentemente de densidade no ar logo acima.[br][br] Ademais, um mesmo meio pode apresentar índices de refração diferentes para componentes diferentes da luz. Por exemplo, um cristal no formato de um paralelepípedo pode apresentar um índice de refração [math]n_1[/math] para a componente da luz na direção [math]q_1[/math] e um [math]n_2[/math], [math]n_2\ne n_1[/math], para a componente na direção [math]q_2[/math], conforme a figura abaixo. Um material que apresenta dois índices de refração num mesmo ponto, discriminando a polarização, é dito birrefringente.

Ademais, é possível observar na figura a mudança da polarização da onda. Essa se deve a uma diferença de fase, ∆δ, entre as duas componentes, acrescida na passagem pelo cristal.

Já foi dito que a luz incidente, refletida e refratada têm a mesma frequência, conforme prever a teoria Eletromagnética. Sendo assim, para satisfazer a relação de dispersão o vetor de onda carrega o índice de refração, de modo que no material birrefringente há um número de onda na direção [math]\vec{q_1}[/math], dado por [math]n_1k[/math], e outro na direção [math]\vec{q_2}[/math], dado por [math]n_2k[/math]. Consequentemente, ao atravessar um material birrefringente de comprimento [math]d[/math], é acrescido um [math]∆δ[/math] à diferença de fase, conforme a equação (24),

Ou ainda,

Diferentemente dos outros métodos apresentados, os quais apenas podem linearizar a onda, por birrefringência pode-se transformar uma onda linear em circular, conforme ilustra a figura. Para tanto, é necessário, de acordo com a equação (37), a espessura conhecida como quarto de onda: [math]d=λ/\left[4(n_1-n_2)\right][/math].