双折射相位匹配是通过利用非线性晶体的双折射实现非线性过程的相位匹配的技术。例如， 1064nm的光束在铌酸锂（LiNbO3）晶体中倍频时可以通过正常偏振的泵浦光和反常偏振的倍频光实现相位匹配条件。当适当的晶体温度时，双折射效应正好抵消了色散效应。当只有色散效应时，倍频光的折射率较高因而无法实现相位匹配条件。

图 1 LBO晶体中1064nm倍频过程的双折射非临界相位匹配图。光束沿X方向传播，泵浦光的偏振在Z方向上，二次谐波的偏振位于Y方向。在149℃时，双折射效应抵消了色散的影响，从而使的两个光的折射率相等。

常见的双折射相位匹配的形式为

非临界相位匹配：如图1所示的情况，光束沿着折射率椭球的一个轴传播；

临界相位匹配：利用了反常光的折射率对角度的依赖性实现相位匹配。

另一种常见的相位匹配是准相位匹配（QPM）。