非線性光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)的一個分支，研究介質(zhì)在強相干光作用下產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象及其應(yīng)用。激光問世之前，基本上是研究弱光束在介質(zhì)中的傳播，確定介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的折射率或極化率是與光強無關(guān)的常量，介質(zhì)的極化強度與光波的電場強度成正比，光波疊加時遵守線性疊加原理。在上述條件下研究光學(xué)問題稱為線性光學(xué)。對很強的激光，例如當(dāng)光波的電場強度可與原子內(nèi)部的庫侖場相比擬時，光與介質(zhì)的相互作用將產(chǎn)生非線性效應(yīng)，反映介質(zhì)性質(zhì)的物理量（如極化強度等）不僅與場強E的一次方有關(guān)，而且還決定于E的更高冪次項，從而導(dǎo)致線性光學(xué)中不明顯的許多新現(xiàn)象。介質(zhì)極化率P與場強的關(guān)系可寫成
    P＝α1E+α2E2+α3E3+…  
非線性效應(yīng)是E項及更高冪次項起作用的結(jié)果。
    常見非線性光學(xué)現(xiàn)象有：
    1.光學(xué)整流。E2項的存在將引起介質(zhì)的恒定極化項，產(chǎn)生恒定的極化電荷和相應(yīng)的電勢差，電勢差與光強成正比而與頻率無關(guān)，類似于交流電經(jīng)整流管整流后得到直流電壓。
    2.產(chǎn)生高次諧波。弱光進入介質(zhì)后頻率保持不變。強光進入介質(zhì)后，由于介質(zhì)的非線性效應(yīng)，除原來的頻率ω外，還將出現(xiàn)2ω、3ω、……等的高次諧波。1961年美國的P.A.弗蘭肯和他的同事們首次在實驗上觀察到二次諧波。他們把紅寶石激光器發(fā)出的3千瓦紅色（6943埃）激光脈沖聚焦到石英晶片上，觀察到了波長為3471.5埃的紫外二次諧波。若把一塊鈮酸鋇鈉晶體放在1瓦、1.06微米波長的激光器腔內(nèi)，可得到連續(xù)的1瓦二次諧波激光，波長為5323埃。非線性介質(zhì)的這種倍頻效應(yīng)在激光技術(shù)中有重要應(yīng)用。
    3.光學(xué)混頻。當(dāng)兩束頻率為ω1和 ω2（ω1＞ω2）的激光同時射入介質(zhì)時，如果只考慮極化強度P的二次項，將產(chǎn)生頻率為ω1＋ω2的和頻項和頻率為ω1－ω2的差頻項。利用光學(xué)混頻效應(yīng)可制作光學(xué)參量振蕩器，這是一種可在很寬范圍內(nèi)調(diào)諧的類似激光器的光源，可發(fā)射從紅外到紫外的相干輻射。
    4.受激拉曼散射。普通光源產(chǎn)生的拉蔓散射是自發(fā)拉曼散射，散射光是不相干的。當(dāng)入射光采用很強的激光時，由于激光輻射與物質(zhì)分子的強烈作用，使散射過程具有受激輻射的性質(zhì)，稱受激拉曼散射。所產(chǎn)生的拉曼散射光具有很高的相干性，其強度也比自發(fā)拉曼散射光強得多。利用受激拉曼散射可獲得多種新波長的相干輻射，并為深入研究強光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律提供手段。
    5.自聚焦。介質(zhì)在強光作用下折射率將隨光強的增加而增大。激光束的強度具有高斯分布，光強在中軸處最大，并向外圍遞減，于是激光束的軸線附近有較大的折射率，像凸透鏡一樣光束將向軸線自動會聚，直到光束達到一細絲極限（直徑約5×10-6米），并可在這細絲范圍內(nèi)產(chǎn)生全反射，猶如光在光學(xué)纖維內(nèi)傳播一樣。
    6.光致透明。弱光下介質(zhì)的吸收系數(shù)（見光的吸收）與光強無關(guān)，但對很強的激光，介質(zhì)的吸收系數(shù)與光強有依賴關(guān)系，某些本來不透明的介質(zhì)在強光作用下吸收系數(shù)會變?yōu)榱恪?br />    研究非線性光學(xué)對激光技術(shù)、光譜學(xué)的發(fā)展以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析等都有重要意義。常用的二階非線性光學(xué)晶體有磷酸二氫鉀（KDP）、磷酸二氫銨（ADP）、磷酸二氘鉀(KD*P)、鈮酸鋇鈉等。此外還發(fā)現(xiàn)了許多三階非線性光學(xué)材料。