由于高次非线性极化相对二次要弱得多，因而，激光频率转换材料主要指能产生较明显的倍频、和频、差频和参量振荡的二次非线性极化材料。

对基于二次非线性极化的材料，频率转换由3个互作用光波的混频决定。光量子系统的能量守恒关系ω₁+ω₂=ω₃，决定了材料实现激光频率转换的4种类型。①激光倍频。如果入射激光频率相等，即ω₁=ω₂，光波非线性参量互作用就产生倍频激光。②激光频率上转换。如果光波参量互作用产生频率ω₃=ω₁＋ω₂的和频激光，则可获得紫外、近紫外短波长的激光。激光频率上转换的一个特例是与倍频效应相结合，使ω₂=2ω₁，则获得ω₃=3ω₁的激光。这个过程通常称为三倍频。③激光频率下转换。如果光波非线性参量互作用产生频率为ω₃=ω₁-ω₂的激光，则称之为激光频率下转换。它可获得红外、远红外甚至亚毫米波段激光。④激光参量放大和振荡。如果频率为ω₃的激光入射到激光频率转换材料中，根据光波参量互作用，可以选择一定条件（例如相位匹配），使ω₃=ω₁＋ω₂的ω₁频率光波（或ω₂频率光波）获得放大；如果将激光频率转换材料置于一个对ω₁（或ω₂）频率共振的光学谐振腔内，则有可能使ω₁（或ω₂）频率激光增益至足以克服损耗，获得振荡。这就是激光参量放大和振荡效应。对光学谐振腔的共振频率实现调制，就能获得较宽范围的可调谐参量振荡激光器。

激光频率转换材料通常按其转换激光频率的种类分为倍频材料、频率上转换材料、频率下转换材料、参量放大或参量振荡材料；按其应用激光的特性分为强激光频率转换材料、低功率激光频率转换材料、参量振荡材料和超短脉冲激光频率转换材料；按材料性质又分为无机材料和有机材料两大类。由于常用的无机激光频率转换材料品种较多，故又按化学组成分为磷（砷）酸盐、硼酸盐、铌酸盐、碘酸盐和半导体材料5类。

以磷酸盐、磷酸二氢钾（KDP）和磷酸钛氧钾（KTP）为典型，包括砷酸盐KDA和KTA以及它们的阳离子被铵、钾、铷、铊等取代后的一系列同族化合物晶体。

KDP族是研究最早的一种激光频率转换材料。这些晶体在室温均属于四方Dd-42m点群，具有几乎相同的二阶非线性光学系数，都能生长成大尺寸优质单晶，短波透光波段能延伸到紫外200～225纳米，长波延伸到1400～1800纳米，具有较高的光损伤阈值（约2.5吉瓦/厘米²），其中尤以KDP晶体为最高，达3.5吉瓦/厘米²。尽管它们容易潮解，但KDP晶体仍是高功率钕（Nd）激光常用的频率转换材料。

KTP族在室温时都属于正交C_2v-mm2点群，光学双轴晶。它们的二次非线性光学系数约比KDP类晶体大一个数量级，也有与一般KDP类晶体相同量级的高光损伤阈值，晶体不潮解，机械性能好。其透光波段为350～4500纳米。这类晶体中实用的是KTP和KTA，主要用于钕离子激光的倍频和参量振荡，是高重复率激光频率转换用最实用的材料。其缺点是大尺寸晶体生长较为困难。

一般具有较好的紫外透光特性。适用于激光频率转换的材料主要有偏硼酸钡（BBO）、三硼酸锂（LBO）、五硼酸钾（KB₅）。BBO晶体具有较稳定的激光频率转换温度特性，是高重复率钕离子激光倍频及宽波段光学参量振荡的优秀材料。LBO晶体的相位匹配转换性能比BBO更好，是高重复率钕离子激光倍频、三倍频和光学参量振荡的优秀材料。

一类中功率和低功率激光频率转换用的材料。具有与KTP晶体相同量级的二次非线性光学系数，化学性能稳定，机械性能更好。由于光折变效应，其光损伤阈值较低，约200兆瓦/厘米²。其透明波段都在400～4000纳米左右。大尺寸晶体生长也较困难。这类晶体典型的有铌酸锂（LN）、掺镁铌酸锂（Mg∶LN）、铌酸钾（KN）和铌酸钡钠（BNN）。它们大多数用于中功率或低功率激光倍频、和频和参量振荡。低功率半导体激光频率转换，常选用这类材料作为块体共振腔型倍频、准相位匹配型或波导型倍频。

主要是一些水溶性的碘酸盐晶体，如碘酸锂、碘酸钾和碘酸铵等。它们有与LN相近的二次非线性光学系数和抗光损伤阈值，透过波段约300～5000纳米。主要用于中功率激光的频率转换。

属窄带隙的半导体材料。大部分材料对可见光有明显吸收，但有很好的红外透光率，有较高的二次非线性光学系数，因而常用作红外激光的频率（如二氧化碳激光）转换材料。这类材料中典型的是碲（Te）晶体、淡红银矿（Ag₃AsS₃）和TAS等。

激光频率转换材料主要有以下5个特性。

①较大的二次非线性系数。激光频率转换的能量（功率）转换效率是与二次非线性系数的平方成正比的，大的二次非线性系数为选择材料的首要因素。由于高性能激光器的发展，对高转换效率的限制已转到高光损伤阈值方面。此外，材料设计理论指出，大的二次非线性系数与相位匹配条件及透明波段要求存在一定矛盾，因而对二次非线性系数应采取权衡综合因素的适中考虑。

②宽的光谱透明波段。吸收系数以指数衰减的形式降低能量（功率）转换效率，因而对参量互作用各光波都能高透过是激光频率转换材料的最基本要求。无机氧化物的透明波段一般在300～5000纳米，短波紫外吸收边与阴离子基团有十分密切的关系；硼酸盐紫外吸收边为150纳米左右，磷酸盐可达200纳米左右，碘酸盐达300纳米，而铌酸盐为400纳米左右。对有机材料，常采用弱的共轭π键或短键基团以延伸短波，但是这往往造成二次非线性系数的明显下降。宽禁带半导体材料长波透明波段延伸到15000纳米以上，但是自由载流子吸收和双光子吸收使吸收系数增加，造成红外波段转换效率下降。

③相位匹配性能。相位匹配条件是所有非线性参量互作用过程中决定能量（功率）转换效率的首要条件。在高光学质量吉瓦/厘米²级高功率激光下，相位失配成为限制转换效率进一步提高的主要因素。因而，作为材料优化条件，获得非临界的、对温度和角度改变相对稳定的相位匹配，比获得高二次非线性系数更重要。

④高的光损伤阈值。激光频率转换的能量（功率）转换效率随激光功率密度增加而增加。随着激光源功率密度和光束质量的提高，获得特高转换效率的主要障碍转到材料的光损伤阈值上。因而高光损伤阈值是目前材料优化的优先考虑问题。

⑤可以生长高光学质量大尺寸单晶。由上述光吸收、相位匹配、光损伤阈值的要求，就自然得出高光学质量大尺寸单晶的要求。