Quang học phi tuyến (NLO) là nhánh quang học mô tả hành vi của ánh sáng trong môi trường phi tuyến, nghĩa là môi trường trong đó mật độ phân cực P phản ứng phi tuyến tính với điện trường E của ánh sáng. Sự phi tuyến tính thường chỉ được quan sát ở cường độ ánh sáng rất cao (giá trị của điện trường nguyên tử, thường là 108 V/m), chẳng hạn như khi tia laser được phóng ra. Trên giới hạn Schwinger, chân không dự kiến sẽ trở thành phi tuyến. Trong quang học phi tuyến, nguyên tắc chồng chập không còn đúng nữa.