Nieliniowość Silne pole elektryczne światła o dużym natężeniu może spowodować zmiany współczynnika załamania ośrodka, w trakcie gdy światło przechodzi przez ośrodek. Zjawiska takie opisuje optyka nieliniowa. Jeśli współczynnik zmienia się proporcjonalnie do kwadratu natężenia pola elektrycznego (liniowo z natężeniem światła), zjawisko takie nazywa się efektem Kerra i jest przyczyną dalszych zjawisk, jak samoogniskowanie i samomodulacja fazy, a jeśli współczynnik zmienia się liniowo z natężeniem pola (ma to miejsce tylko w kryształach, które nie mają środka symetrii), zwany jest efektem Pockelsa.
Niejednorodność thumb|200px|Soczewka światłowodowa, w której współczynnik załamania zależy kwadratowo od odległości od osi soczewki Jeśli współczynnik załamania ośrodka nie jest stały, ale zmienia się w sposób ciągły, mówi się, że ośrodek charakteryzuje się gradientem współczynnika załamania. Światło przechodząc przez taki ośrodek może zmieniać kierunek, „zaginać się” lub skupiać. Ten ostatni efekt jest wykorzystywany do produkcji światłowodów gradientowych oraz soczewek światłowodowych.