Сектор «Нелинейных оптических явлений» был организован в отделении Квантовой радиофизики в начале 80-х годов. При начавшихся в 90-х годах реорганизациях Сектор был преобразован в Лабораторию «Нелинейных оптических явлений». Главными направлениями исследований сотрудников Лаборатории были твердотельные лазеры и мощные газовые лазеры, возможности повышения их мощности и качества излучения. Для этих целей исследовались различные нелинейно-оптические явления, такие как вынужденное комбинационное рассеяние, вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, обращение волнового фронта излучения при самовоздействии и при невырожденном четырёхволновом смешении. Определённое внимание было уделено разработке методов получения неискажённого изображения  различных объектов через турбулентную атмосферу. В связи с последней реорганизацией 2016 г. в Лаборатории появились сотрудники с новыми научными направлениями: исследование и использование бесфононных линий в твёрдых телах, а также применение лазеров в медико-биологических исследованиях.