电光取样的原理是基于各向异性非线性光学晶体中的线性电光效应，各向异性电光晶体的折射率椭球在外电场的作用下发生改变，导致通过电光晶体激光脉冲的偏振态发生变化，对通过偏振器件后的折射率转换为探测激光脉冲强度的变化（正比于外部电场的场强）进行测量。

在电光取样中，激光脉冲的脉宽需远小于待测的电磁脉冲，在适当的条件下，两者在电光晶体中同步传播，在一个确定的时间延迟（即取样时间窗口内），探测激光脉冲的偏振态被一个几乎恒定的电场调制，测得探测激光脉冲光强正比于该电场的改变量。相继改变探测激光脉冲和待测电磁脉冲的时间延迟，得到一系列对应于待测电磁脉冲波形中不同时刻电场强度的测量值，实现对待测电磁脉冲电场波形的测量。因为设定的一个时间延迟只能测量电磁脉冲波形中一个小的时间间隔里的电场，电光取样一般只适用于测量重复性的待测电磁脉冲。

在实际的电光取样中，测量带宽主要取决于电光晶体的色散特性、探测激光脉冲的脉宽等，利用飞秒激光脉冲和合适的电光晶体，可以达10¹²赫兹以上，也是达到最高时间分辨率的测量技术。电光取样广泛应用于高速光电器件和超大规模集成电路的频率响应测量，如微波电路、超快晶体管、光探测器和传输线等器件的性能表征。电光取样也可以利用非线性光学晶体的光学克尔效应实现；对于周期性电磁脉冲，利用非同步技术进行电光取样测量，以便进一步提高测量效率。