是非线性光学中另一重要分支。它研究物质在共振条件下受到强相干光场作用时，在小于物质内部纵向及横向弛豫时间的时域范围内所发生的光学现象。诸如光子回波、光学自由感应衰减、光学章动、自感应透明等等。
事实上，不难发现在无线电和微波波段都可找到与上述多种非线性光学效应相类似的效应。这正是相干光在某些方面酷似无线电波的结果。但是，由于光波波长比介质的尺寸小得多，因此非线性光学效应又应不同于无线电或微波波段的非线性效应，必须考虑光波在介质中的传播。由此要使前述的相当一部分非线性光学效应（通常这部分效应与参量作用过程相联系）真能出现还必须满足一些附加条件，例如位相匹配条件。