用非线性晶体使基频入射光波产生倍频光波（又称光学二次谐波）的非线性光学效应。1961年弗兰根首次使光学倍频得以实现。次年，勃罗姆贝根作出了理论解释，为非线性光学奠定了基础。

当入射光很强时，入射光在晶体材料中感生的电极化强度P可能包含非线性项：

P=X⁽¹⁾E+X⁽²⁾E²

如果某点处入射光波表示为E=E₀cosωt，则

可见，电极化强度中除了有直流成分外，还有频率为ω的基频和频率为2ω的倍频成分。与这些电极化强度成分相应，有基频极化波P（ω）和倍频极化波P（2ω），及其相应的基频次波幅射和倍频次波辐射，即E′（ω）和E′（2ω）。

在光学二次谐波产生过程中，非线性晶体的原子或分子的量子状态不发生变化，因此辐射场光子须满足能量守恒和动量守恒，后者在非线性光学中称为相位匹配。基频入射光子的能量为hv，波矢

（λ）和n（λ′）为非线性晶体对基频光和谐波光的折射率；α₀和α′为基频光和谐波光传播方向上的单位矢量。于是能量守恒要求hv+hv=hv′，即要求二次谐波的频率v′应该是入射基波频率的二倍。动量守恒要

n（v）=n（2v），即要求晶体对入射基波光和二次谐波光的折射率相同。设晶体为负单轴晶体，具有正常色散特性。晶体内o光和e光折射率满足条件：n^e（2v）＞n^e（v）和n⁰（2v）＞n⁰（v）。则实验中可选择基频入射光以o光形式入射，使谐波光以e光形式出射，则在与晶体光轴成ψ₀角的特殊方向上，可以实现n^e（v）=n⁰（2v）。还可以用其它方法实现相位匹配条件。

光学倍频目前已广泛使用于激光频率转换，由基波向二次谐波的能量转换效率可达30～50%。将1.06微米红外激光转换成0.53微米的绿色激光，已在实验室中实现。