当高强度的光通过介质传播时，会导致非线性效应。其中最简单的是克尔效应，其可以被描述为折射率对光强I的一个成比例的变化（通常是增加） 

其中n2为非线性折射率系数。其常用单位为m2/W或cm2/W。 通常情况下，非线性折射率系数是利用线性偏振光测量而得的。对于非双折射晶体而言，圆偏振下的非线性折射率系数通常会小1/3。 

当光强非常高时，上述的非线性折射率系数的方程可能需要一个较高阶的校正。例如，需要一个一个与折射率平方成正比的箱，而其系数为负，从而使得克尔效应发生饱和。 

除了克尔效应（纯粹的电子非线性），电致能也会显著的影响非线性指数的值。这种情况下，光束的电场会产生密度变化（声波），这会通过光弹性效应影响的折射率。但是这一机制会涉及到一个显著的时间延迟，因此仅适用于变化相对缓慢的功率调制，不能用于超短脉冲。在光纤中这种低速（MHz）的电致伸缩的贡献是通常的克尔效应的10-20％。 

对于透明的晶体和玻璃，n2为通常为10-16 cm2/W 到10-14 cm2/W 。例如，石英光纤在波长约为1.5um处其非线性折射率系数较低，为2.7•10-16 cm2/W ，而一些硫化玻璃的非线性折射率系数是其的几百倍甚至更高。半导体材料也具有很高的非线性折射率系数。研究表明，非线性折射率系数正比于带隙能量的四次方的倒数，此外还取决于测试光的波长。非线性折射率系数也可以是负的（自散焦非线性效应），特别是当光子能量高于带隙的能量的70％时。 

具有高非线性折射率系数的材料通常具有小的带隙能量，因此也往往表现出较强的双光子吸收（TPA）。对于一些应用，例如电信系统的信道转换中，这是不利的。 

样品的非线性折射率系数通常利用z扫描技术测量，它是基于克尔透镜的自聚焦效应的。 

光纤的非线性可以通过测量自相位调制产生的频谱展宽来量化。然而，需要注意的是在非保偏光纤中光的偏振状态会发生改变，而这可能会影响测量结果。另外，这种测量结果是光纤纤芯和包层的材料特性的一种平均。