Эффект, обнаруженный С. И. Вавиловым и В. Л. Левшиным, заложил первый камень в фундамент новой, чрезвычайно важной и бурно развивающейся в наши годы науки — нелинейной оптики. Ныне эффект Вавилова — Левшина широко используется для создания оптических затворов, применяемых для получения гигантских импульсов в твердотельных оптических квантовых генераторах (лазерах). Оптический затвор представляет собой кювету с жидкостью, которая обладает свойством становиться прозрачной под действием светового пучка определенной мощности. Затвор срабатывает только после достижения кристаллом высокой степени возбуждения, им и обеспечивается возможность получения исключительно мощного светового лазерного импульса.
В 1928 году в Москве состоялся VI съезд русских физиков, на котором, по воспоминаниям академика Моисея Александровича Маркова, выступил «по-юношески стройный, смуглый до черноты» Сергей Иванович Вавилов. Он рассказал о попытке установить границы применимости известного оптического принципа суперпозиции, согласно которому между двумя пересекающимися световыми пучками не должно происходить взаимодействия. Этот принцип был известен давно и активно обсуждался еще Христианом Гюйгенсом, Исааком Ньютоном и Михаилом Васильевичем Ломоносовым. Он хорошо объяснялся волновой теорией света, и никто не наблюдал его нарушения.
Однако его существование, казалось, противоречило корпускулярной теории световых явлений И. Ньютона. Ее противники указывали на необходимость соударений световых корпускул, что неминуемо приводило бы к нарушению принципа суперпозиции. М. В. Ломоносов заметил, что возможное объяснение этого явления следует искать в исключительной малости световых корпускул.
С. И. Вавилов писал: «В наше время оптика находится в стадии теоретического синтеза волнового и корпускулярного воззрения, и вопрос о пределах выполнимости суперпозиции снова становится несколько неясным». Исходя из того, что световые пучки состоят из отдельных квантов, Сергей Иванович предположил: если сильно увеличить плотность световых потоков, заставив их пересекаться друг с другом, то некоторые световые кванты могут сталкиваться между собой. В результате должно возникать рассеяние света, наблюдение которого и послужило бы экспериментальным доказательством нарушения принципа суперпозиции.
Для проведения опытов Вавилов построил установку, в которой источником светового потока большой плотности служила мощная конденсированная электрическая искра. Свет от нее фокусировался внутри сосуда, откуда был откачан воздух. Сергей Иванович подсчитал, что в этой установке возможны такие большие мгновенные значения плотности лучистой энергии, которые превышают соответствующие значения ее у поверхности Солнца. Однако опыты не принесли удачи, рассеяния света обнаружить не удалось. На основании опытов ученый пришел к выводу, что вероятность столкновения фотонов очень незначительна.
Для определения верхнего предела выполнимости принципа суперпозиции Вавилов обратился к астрономическим явлениям. Он писал, что у поверхности Солнца пересекаются некогерентные пучки, исходящие из его разных участков (в отличие от названных, источники света, колеблющиеся в одинаковых фазах или с постоянной разностью фаз, называются когерентными; только когерентные световые пучки способны интерферировать между собой), причем пересечения происходят при очень больших плотностях радиации и в огромном объеме. Кроме того, результаты для земного наблюдателя суммируются. В моменты полных солнечных затмений, когда прямые лучи Солнца задержаны и фон является очень темным, исследователь, находящийся на Земле, оказывается в исключительно хороших условиях наблюдения, и Солнце может служить удобным объектом для установления пределов выполнимости принципа суперпозиции.
Известно, что около поверхности Солнца наблюдается рассеянный свет его короны. Это явление объясняют рассеянием солнечных лучей электронами, атомами и молекулами разреженного газа. Вавилов осуществил заведомо идеализированный расчет. Он предположил, что весь наблюдаемый рассеянный свет вызван столкновениями световых квантов (фотонов). Оказалось, что даже в таком случае радиус сферы действия фотонов невероятно мал — значительно меньше, чем 10e-20 сантиметра, то есть в 10 миллионов раз меньше, чем радиус любой известной элементарной частицы. Если же учесть рассеяние света электронами, атомами и молекулами, то эта величина окажется еще намного меньше.
Расчет показал, сколь безнадежны попытки обнаружить рассеяние света в опытах такого типа, проводимых в обычных лабораторных условиях. Даже в наши дни, располагая огромными мощностями световых пучков, излучаемых лазерами, мы пока не можем рассчитывать на положительные результаты в этих опытах. Вавилов показал, что принцип суперпозиции некогерентных световых пучков выполняется с большой степенью точности в очень широких пределах. По его словам, по крайней мере, для видимого света этот принцип является одним из точнейших положений оптики.