并非所有感兴趣波长的光都可以利用激光器直接产生。因此，通常还会利用非线性转换的手段将一些频率的光（如红外光）转换为其他频率的光（如可见光）。 

非线性转换过程包括如下几种： 

1. 由晶体的χ(2)非线性实现的倍频、和频/差频过程； 

2. 光学参量振荡器和光学参量放大器； 

3. 利用飞秒光或者皮秒光产生太赫兹脉冲； 

4. 在晶体或光纤中利用χ(3)非线性实现的拉曼变换，参阅拉曼激光器、拉曼放大器； 

5. 光子晶体光纤中的超连续谱产生，该过程通常会同时涉及多种光学非线性从而实现新频率分量的生成； 

6. 气体中的高次谐波产生，通常需要极高的光强（1014W/cm2或更高）才会发生。 

以上的过程中，很多都需要相位匹配条件满足，且需要是线偏光才会有效的发生。激光辐射通常是偏振光。但有些设备（如一些高功率光纤激光器和放大器）不能稳定的输出线偏振光，因此不太适合非线性频率转换。 

高光强下的高效率频率转换

由于非线性频率转换只在高光强下才能有高的转换效率，因此通常需要以下的一个或多个方法来提高非线性转换效率： 

1. 诸如锁模激光器或者调Q激光器的脉冲激光器可以具有比平均功率高很多的峰值功率； 

2. 对于单频激光器和锁模激光器，利用谐振的增强腔，参阅谐振倍频； 

3. 激光谐振腔内的非线性变换，参阅腔内倍频； 

4. 通过使用波导或光纤来以增加的非线性转换过程的相互作用长度。特别是具有小有效模场面积的波导可以实现低光功率下的高转换效率。 

最大的可用光强通常是由材料的损伤阈值限制的。因此在很多情况下都无法实现高效率的非线性频率转换。一个例子是超短脉冲倍频为紫外光时，由于大的群速度失配会限制相互作用长度并且损伤阈值也很低。 

设计问题

非线性频率转换装置的设计可以涉及到很多细节的问题。对于基于参量非线性的设备，由于空间走离，增益导引效应，泵浦衰竭和逆转换等因素会导致光束质量问题。这些效果可以利用数值计算模型来模拟相互作用的光束的空间（有时还包括时间）分布的演变。特别是对于超短脉冲的非线性转换，需要对许多效应有足够的理解才能避免各种问题。 

非线性相互作用的复杂性以及光电子行业中现有知识的有限性阻碍了许多应用的发展。例如，许多应用中的染料激光器都可以利用光学参量振荡器替代。