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：ne（2v）＞ne（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ne（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。
