由SheikBahae等人最先提出的激光Z扫描技术的实验装置如图所示。在紧聚焦配置下，采用高斯光束入射，改变样品在图中光轴(Z轴)上的位置，在远场测量通过一个位于光轴上的有限孔径A的透射率T，得到T-z函数曲线即Z扫描曲线。

高斯光束入射时，对于一个具有负非线性系数的薄介质，可将其视为一个焦距可变的薄透镜，取透镜聚焦后的焦点为z轴的原点。当非线性介质从－z向原点移动时，开始光强较低，可忽略非线性引致的光折射，因此由孔径A处测得的透过率T保持相对不变，为系统的线性透过率。当样品扫描至原点附近时，因光强的增大使非线性引致的光折射效应显著加强，此时样品相当于一个负透镜将光束准直，使孔径A处的光束变窄，导致测量的透过率增加，因而在z＜0一侧接近z＝0处，T-z曲线呈现峰值；当非线性介质移过原点O时，样品的自散焦作用将导致孔径A处的光束展宽，造成透过率减小，同理自散焦作用在近z＝0处才最为明显，使得T-z曲线呈现谷值；在原点处，远场透射率与线性值相同。由上述分析，可定性地得到Z扫描曲线，它呈先峰后谷形状。而一个具有正非线性系数的光学非线性样品其Z扫描曲线则呈现出先谷后峰形状因此，由Z扫描曲线的形状即可以确定材料非线性系数的符号。进一步的理论分析还可以得到非线性系数的大小。