当有一个较强的光在玻璃和晶体（以及某些气体）中传播时，就会有克尔效应这种非线性光学效应发生。其物理起源为介质中产生的非线性极化效应，该效应会改变光的传播特性。克尔效应是一个瞬时发生的非线性响应，其可以被简单的描述为对于折射率的影响。对于高功率的光束其造成的折射率的变化为 

其中n_2为非线性系数，I是光强。介质的n_2的值可以通过z扫描的方法测量得到。需要注意的是，除了克尔效应（纯粹的电子非线性），电致伸缩也会显著地影响非线性系数的测量值。电致伸缩效应中光的电场引起的密度变化（声波）会通过光弹性效应影响折射率。以上的这种效应的发生需要一个比较长的时间，因此这种效应只会影响功率调制比较慢的情况，对于超短脉冲没有作用。 

对于熔融石英例如石英光纤，其非线性系数约为3×1016cm2/W。由于非线性系数食欲带隙能量相关的，因此对于软玻璃，特别是对于半导体，其非线性系数要大很多。当光子能量大于带隙能量的约70%时，非线性系数通常就会变成负的（造成自散焦现象）。 

这种与时间和频率相关的折射率会导致自相位调制和克尔透镜效应，当不同的光束交叠时还会产生交叉相位调制效应。 

以上所述的克尔效应是仅对于某一频率而言的，因此其只对较窄光谱带宽有效。对于超短的宽带脉冲，会产生一个偏差，这被称为自陡峭效应。该效应会导致脉冲的峰值处的传播速度（群速度）变慢，也就是说会使得脉冲尾部的斜率变大。这个效应与超连续谱产生密切相关。此外，当光强度非常大时，克尔效应也会达到饱和。 

当光强度极强时，折射率的变化将不再随光强的增强而变大，也就是会达到饱和，有时甚至还会出现折射率的减少。这个是由多光子电离的效应导致的，从而造成光功率的损失（由 Kramers–Kronig关系导致的额外相位变化导致 ）。 

非线性极化的延迟（非瞬时）响应不可以简单的描述为折射率的变化。这种效应被称为拉曼散射，该效应并不是克尔效应的一部分。