激光器可以用来产生具有很高光强的光。这会产生很多非线性光学效应（参阅非线性光学），其中最重要的包括：
在有些χ(2) 非线性晶体中会发生参量非线性过程，产生例如倍频、和频和差频产生和参量放大过程（参阅非线性频率转换）。
有的参量非线性过程来自于χ(3)非线性。克尔效应引起折射率变大，变大的程度与光强成正比。引起的效应包括，自聚焦，自相位调制，交叉相位调制和四波混频。
自发和受激拉曼散射是光与光学声子之间的相互作用。
自发和受激布里渊散射是光与声学声子之间的相互作用，尤其是涉及到相向传播的光波。布里渊和拉曼散射与三阶非线性响应的非瞬时部分有关。
双光子吸收是指两个光子同时被吸收，产生的激发过程所需要的能量大于一个光子的能量。其强度与 χ(3)张量的虚部有关，相对于带隙能量小的半导体介质来说该强度相对比较大。
还有其他的一些效应并不是直接来自于光学非线性效应，但是非线性也会影响这些现象：
尤其是在激光器和放大器中会发生增益饱和现象。饱和吸收器中也会发生类似的非线性损耗，例如，在SESAMs中用作被动锁模或Q开关。
在有些铁电晶体，例如LiNbO3中会发生光折变效应。例如，可以用于全息数据存储，但在非线性频率转换过程中是不利的。
还有很多效应会产生热，例如激光增益介质中的热透镜效应或者光学谐振腔中的热调谐过程（例如，增强腔）。
在光纤技术中，非线性效应是考虑最多的。由于光纤具有很长的相互作用长度以及其小模式面积引起光强很大，因此在光纤中具有很强的非线性。尤其是与χ(3)非相关的线性效应（克尔效应，拉曼散射，布里渊散射）非常重要，有的是为了达到某些功能起主要作用的非线性过程（例如，脉冲压缩），或者在高功率光纤激光器和放大器中为限制性能的效应。
通常来讲，非线性效应的强度由峰值功率决定。但是，也有峰值功率越低，非线性效应越强的情况。
有时光强足够高引起介质电离后也会发生强的非线性效应。这会引起光学击穿，有时甚至会损伤材料。气体介质中可以采用极高的光强，可以实现高次谐波产生。
