非线性光学在材料科学中的应用非常广泛，它涉及到光与物质相互作用时的非线性现象。这些应用包括但不限于：
光限幅和光开关：利用非线性效应可以设计出对光强有响应的材料，用于制造光限幅器和光开关，这些设备在光通信和光信息处理中非常重要。
光学数据存储：非线性光学材料可以提高存储密度，使得数据存储技术如全息存储和蓝光光盘存储得以实现。
激光频率转换：通过非线性效应，可以实现激光频率的转换，如倍频、和频、差频等，这对于产生特定波长的激光非常有用。
光折变效应：在某些材料中，光的照射可以引起折射率的变化，这种现象称为光折变效应，可以用于制造光限幅器和光开关。
光致变色材料：某些材料在光的照射下会发生颜色变化，这种现象称为光致变色效应，可以用于制造智能窗户和光敏感材料。
常见的非线性效应包括：
克尔效应（Kerr effect）：介质的折射率随光的强度变化而变化。
普克尔斯效应（Pockels effect）：类似于克尔效应，但是是各向异性的，通常需要电场的存在。
光致折射（Photorefractive effect）：材料的折射率在光的照射下发生永久性变化。
二次谐波生成（Second-harmonic generation, SHG）：两个相同频率的光子合并成一个频率是原来两倍的光子。
光限幅（Optical limiting）：材料对高强度光的透过率低，而对低强度光的透过率高，用于保护眼睛和传感器不受强光损害。
四波混频（Four-wave mixing, FWM）：涉及三个光波与材料相互作用产生第四个光波的过程。
这些效应在材料科学中有着广泛的应用，并且随着研究的深入，新的应用和效应还在不断被发现和开发。