Oddělení nelineární optiky vzniklo v roce 2003 z části pracovníků bývalého Oddělení plynových laserů. Nyní je oddělení součástí sekce Výkonových systémů Fyzikálního ústavu AV ČR.

Význam nelineární optiky byl posílen v posledních letech, kdy dochází k nástupu nové třídy laserových systému. Tyto lasery vytvářejí optické impulsy o nevídaných výkonech až 1 petawattu, tj. 10¹⁵ Wattu. Zvýšení výkonu bylo dosaženo zejména rozvojem techniky zesilování velmi krátkých laserových impulsů. Tím se otevírají nové směry fyzikálního výzkumu v oblasti pevných látek, plazmatu, elementárních částic i astrofyziky. Vlivem takto silných optických polí lze navozovat atraktivní jevy v hmotném prostředí, studovat je a vhodně využívat. Příkladem může být urychlování částic k rychlostem blízkým rychlosti světla v navrhovaných laserových urychlovačích nebo příprava stavů hmoty, jaké se vyskytují ve vesmíru. V medicínské oblasti se posuzuje možnost uplatnění intenzivních laserových impulsů k účinnějšímu léčení např. rakovinových nádorů. Získané znalosti mají přinést i ekonomické využití v podobě nových zdrojů energie nebo metod přesného opracování materiálů.

Vývoj vysokovýkonových laserů probíhá v předních světových laserových laboratořích. Oddělení nelineární optiky se tohoto vývoje účastní ve spolupráci s evropskými laserovými pracovišti například ve Velké Británii (Rutherford Appleton Laboratory), Německu (Max-Planck-Institut, Max-Born-Institut, Gesellschaft für Schwerionenforschung), Litvě (Laser Research Center), Francii (Laboratoire d’Optique Appliquée) a Rakousku (Photonics Institute). Oddělení přitom úzce spolupracuje s Badatelským centrem PALS a podílí se na vývoji jeho laserového systému pro potřeby mezinárodních vědeckých programů.

Dalším cílem Oddělení nelineární optiky je poskytnout v budoucnu moderní optickou laboratoř českým i zahraničním vědeckým uživatelům k realizaci jejich experimentů. Pracovníci oddělení se podílejí na výchově mladých vědeckých pracovníků Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT a na organizaci krátkodobých pracovních pobytů zájemců o podrobnosti výzkumu.