当光穿过一种材料时，它会在原子和分子水平上与它相互作用。您可以将这些原子或分子视为偶极子阵列。来自入射光的电场驱动这些偶极子，使它们在穿过材料时像弹簧一样振荡。
在大多数情况下，光离开介质时不会受到影响并且具有完全相同的频率。然而，光有可能迫使这些偶极子以非线性响应振荡，从而使重新发射的光包含额外的频率，如弹簧上的谐波。一些材料更容易表现出二阶非线性或 χ (2) 效应，其他材料可能更容易受到三阶或 χ (3) 效应的影响。非线性效应的类型完全取决于材料的结构。
二阶非线性过程
二阶非线性过程涉及三个电磁波的混合，其中晶体的非线性响应的大小由 χ (2) 系数表征。这可能会产生以下相互作用：
- 倍频 (SHG)
- 和频 (SFG)
- 差频 (DFG)
二次谐波生成 (SHG) 或倍频是利用非线性晶体的 χ (2) 特性的最常见应用。在 SHG 中，具有相同波长 λp 的两个输入泵浦光子通过非线性过程组合以在 λSHG 处生成第三个光子，其中，
或者，就频率而言，
与 SHG 类似，和频生成 (SFG) 将 λ p 和 λs 处的两个输入光子组合以生成 λ SFG 处的输出光子，其中，
或者，就频率而言，
或者，在差频生成 (DFG) 中，当 λp 和 λs 处的两个输入光子入射到晶体上时，低频信号光子 λs 的存在会激发泵浦光子 λp 以发射信号光子 λ s 和闲散光子λ i 处的光子，其中，
或者，就频率而言，
在此过程中，两个信号光子和一个闲散光子离开晶体，从而产生放大的信号场。这被称为光学参量放大。此外，通过将非线性晶体放置在光学谐振腔中，也称为光学参量振荡器 OPO，可以显着提高效率。
相位匹配
在所有这些过程中，光子能量都是守恒的；然而，为了使任何这些二阶非线性相互作用发生，动量也必须守恒。这也称为相位匹配。
相位匹配是指在光通过晶体传播时，固定两个或多个频率之间的相对相位。折射率取决于光的频率。因此，不同频率的两个光子之间的相位关系将随着光子在材料中传播而变化，除非晶体与这些频率相位匹配。为了输入光子的有效非线性转换，必须在整个晶体中保持输入光子和生成光子之间的相位关系。如果不是这种情况，生成的光子将以正弦方式相互移入和移出相位，从而限制离开晶体的生成光子数量。这如下图所示。传统的相位匹配要求光在晶体的自然双折射与产生光折射率相匹配的方向上传播。尽管提供了完美的相位匹配，但该技术仅限于那些可以进行相位匹配材料的小范围波长。
PPLN 是一种工程设计的准相位匹配材料。工程化一词是指铌酸锂晶体的畴周期性反转（极化）。通过在正弦波生成的每个峰值处反转晶体畴方向，可以避免光子彼此失相。因此，产生的光子数量将随着光通过PPLN传播而增加，从而实现从输入光子到输出光子的高转换效率(见上图)。
晶体需要反转的周期（极化周期）取决于相互作用的波长和 PPLN 的温度。例如，当晶体温度保持在 100°C 时，极化周期为 6.6μm 的 PPLN 晶体将有效地从 1060nm 光子中产生倍频光子。通过将晶体温度提高到 200°C，相同的 PPLN 晶体将有效地从 1068.6nm 波长光子中产生倍频光子。因此，改变晶体的温度会改变相位匹配条件，从而允许对波长相互作用进行一些调整。