術語“光譜學”表示利用光與物質相互作用的方法。通常，某些相互作用的強度是作為波長或頻率的函數來測量的；即光譜起著重要作用。

本文僅涉及光譜學；還有各種其他領域，例如粒子光譜學。

光譜學的目的通常是檢測某些物質或測量它們的特性。例如，氣體光譜學通常用于測量氣體的濃度或氣體的溫度。在其他情況下，物質的已知特性被用于某些目的，例如用于實現光頻標。有時使用光譜測定法代替光譜學一詞，是為了強調以定量方式測量某些量。

存在多種不同的光譜方法；本文只能提供課程概述。許多現代光譜方法涉及一個或多個激光器，因此被稱為激光光譜法。由于激光器在時空相干性、窄線寬和波長可調性、光功率（特別是峰值功率）、超短脈沖等方面具有巨大潛力，自從激光出現以來，光譜學領域已經大大拓寬。甚至在此之前，光譜學就已經為許多現象提供了寶貴的見解。例如，在地球上發現氦之前，研究人員能夠研究太陽的內部并在那里發現氦。

另請參閱有關激光光譜學和激光吸收光譜學的更具體文章。

利用光的物理效應

光的吸收

光與物質之間的不同相互作用可以在光譜學中利用。最常用的相互作用是光的吸收（→吸收光譜）。例如，原子和分子表現出不同的吸收特征，因此如果測量吸收與波長的關系，則可以輕松地區分不同的原子或分子。特別是在中紅外光譜區域，分子具有與其振動和旋轉模式相關的相對強且窄的吸收線。這使得人們能夠以非常高的靈敏度檢測多種物質。一個應用示例是檢測微小濃度的空氣污染物。

由于分子可以具有許多不同的吸收線，其中一些吸收線對于不同的物種可能重疊，因此單條吸收線的檢測通常不足以區分不同的分子。然而，記錄一些足夠寬的波長范圍的吸收光譜通常會產生清晰的光譜指紋。人們還可以區分不同的同位素。

中紅外光譜區域對于許多氣體（例如空氣污染物）的敏感光譜非常理想。不幸的是，中紅外激光源通常不如近紅外激光源強大和/或更復雜和昂貴。例如，可以在非線性晶體材料中應用差頻生成，需要兩個輸入波長并且通常導致相當低的光功率。其他挑戰是獲得在長波長下具有高透射率的光學材料以及靈敏的光電探測器更加困難。因此，人們經常利用其他方法，例如對應于較短波長的較高光學頻率的吸收線，其中更容易實現合適的激光源并且可以獲得更好的光電探測器（在極端情況下，甚至用于光子計數）。然而，這種方法吸收帶較弱，因此常常導致較低的靈敏度。

吸收測量通常使用分光光度計進行。此類儀器可以覆蓋較大的波長范圍并提供相當高的波長分辨率。然而，它們只能利用介質中非常有限的傳播長度，因此不適用于吸光度非常低的物質。

如果光的通過長度相應增加，則低吸收系數仍然可以實現高靈敏度。因此，人們使用多通道氣體池，可以在相對緊湊的池中實現長路徑長度。然而，只有當光具有相對較高的空間相干性時，該原理才允許大量通過。因此，多通道吸收池與激光結合使用最為有效。

激光吸收光譜還具有波長分辨率顯著提高的優點，因為激光器的線寬可以遠小于光譜儀的分辨率。分辨率提高的一個受歡迎的副作用是窄帶吸收特征的靈敏度也大大提高。

還有一些諧振技術，其中使用無源光學諧振腔內的吸收（例如腔衰蕩光譜）或激光諧振腔內的吸收（腔內激光吸收光譜）。在后一種情況下，例如可以使用寬帶光纖激光器，其中在施加短泵浦脈沖之后檢測輸出光譜一段時間。即使吸收特征很弱，也可能導致測量光譜明顯下降，因為該吸收適用于許多后續的諧振器往返過程。

光譜學不僅適用于微觀粒子，還適用于光學諧振器等宏觀物體。例如，高精度穩定的光學諧振器可以用作光學頻率標準并用光譜方法進行探測。

吸收的其他影響

通常，測量到的光譜效應是由于吸收而導致的光功率降低。然而，還有其他可能性。例如，在光聲光譜中，人們利用從功率調制源吸收光來產生聲音。吸收的光會產生一些熱量，從而導致氣體膨脹，從而產生聲波，可以用靈敏的麥克風檢測到。

光的發射或散射

物質也可以被激發以發射或散射具有特征的光。通過簡單的加熱或陽光照射，這已經成為可能。例如，衛星上的光譜儀可以記錄來自地球表面的散射光的光譜，以區分巖石、植物、湖面等。

在天文學中，人們分析來自遙遠恒星和星系的光譜，其中包含溫度、化學成分、運動速度等信息。在實驗室中，人們經常使用氣體放電來激發原子或分子，使它們輻射光。

許多先進的光譜方法使用激光源照射樣品。吸收的光不僅會導致加熱，還會激發原子或分子，然后發出熒光。人們可以記錄發射光的光譜和/或激發強度作為泵浦光波長的函數；這兩種方法都可以對某些物質進行高度特異性的檢測，或者允許人們測量材料的某些微觀特性。有關更多詳細信息，請參閱有關熒光光譜的文章。

另一種選擇是激光誘導擊穿 光譜，其中用強激光脈沖激發樣品，形成等離子體，然后檢測樣品在可見和/或紅外光譜區域發出的光。

這種方法的一個例子是激光增益介質的研究。具有合適光頻率的激光束可以將激光活性離子激發到亞穩態，從亞穩態它們可以被進一步激發（以獲得足夠高的光強度）或回到基態，發射熒光。熒光光譜與波長相關的發射截面有關，這與可實現的激光增益相關。人們還可以檢測短激光脈沖激發后熒光強度的衰減，以確定上態壽命。通過結合光譜技術，人們可以對激光晶體或稀土摻雜光纖等激光增益介質的物理細節進行全面表征 。人們甚至可以研究微妙的效應，例如不同激光活性離子之間的相互作用，從而導致能量轉移現象。

另一個例子是拉曼光譜，其中用高光功率水平的窄帶光（通常從激光獲得）照射物質，并且檢測到由自發和/或自發和/或產生的波長稍長的微弱光發射。受激拉曼散射，一種非彈性散射。拉曼散射光的光譜（通過特殊的窄帶二向色濾光片（如梳狀濾光片）與泵浦光分離）包含分子振動的信息。有關更多詳細信息，請參閱有關拉曼光譜的文章。

高能激光雷達系統（例如在大氣研究中使用）允許遠距離遠程光譜測量。在這里，我們可以利用反向散射光的多普勒頻移來揭示縱向風速。人們已經開發了多種方法，可以遠程測量溫度、壓力、痕量氣體濃度和云粒子密度等許多特性。

光學相位的變化

在一些光譜方法中，人們利用光學相位的變化。通常，感興趣的相互作用發生在干涉儀的一個臂中。由此產生的相位變化可以被靈敏地檢測到，因為它們在干涉儀輸出處轉化為功率變化。吸收線引起的相位變化也與調頻光譜有關。

光譜學方法

透射光的光譜分解

人們可以使用寬帶光源（白光源），然后在光電檢測系統中應用光譜分解。通常，通過將光電探測器與某種單色儀相結合來獲得高光譜靈敏度。例如，高分辨率光譜儀允許測量許多不同的窄波長段，而無需精確控制光源。如果每個波長被分開處理并且存在許多窄波長段，則測量時間可能會很長，但是一些光譜儀可以同時記錄許多波長，例如當它們包含CCD陣列而不是單個光電二極管時。

獲得光譜分辨率的一種特殊方法是使用干涉儀，在測量過程中掃描臂長。對于窄帶光源，這將導致輸出功率的簡單正弦振蕩。然而，使用寬帶源，可以獲得許多不同振蕩的疊加。使用傅立葉變換，可以檢索頻譜。（干涉波長計具有類似的工作原理。）這種方法稱為傅里葉變換光譜法。這通常應用于紅外光譜區域，因此也稱為傅里葉變換紅外光譜（= FTIR 光譜）。許多現代紅外光譜儀都是基于這種技術。

光譜波長的變化

在許多情況下，光譜學是使用波長可調光源完成的。（下面討論各種這樣的源。）然后，例如，可以測量樣品的吸收作為激光發射波長的函數。由于制造廣泛可調諧的窄帶激光源更加困難，因此該技術通常會導致較小的調諧范圍 - 小于簡單寬帶光源可能的范圍。然而，該方法提供了卓越的分辨率以及低噪聲的快速數據采集，因為可以獲得相對較強的探測器信號。請注意，所有可用的光功率都集中在感興趣的特定波長上，而不是分布在整個測量范圍內。

由于光功率通常隨波長（也可能隨時間）而有所變化，因此高精度需要監控該功率。例如，這可以在雙光束光譜儀中完成，其中來自光源的光被分成兩束。僅將一束光束（樣本光束）（而不是參考光束）發送通過所研究的介質，并且測量兩束光束的功率或強度。使用平衡光電探測器可以獲得特別高的靈敏度，其中直接測量兩束光電流的差異。

非線性效應的利用

當使用高強度光源（通常是激光）時，可以利用光譜學的各種非線性光學效應。在無多普勒激光光譜中利用了吸收的飽和度。拉曼光譜在上面已經提到過。 雙光子吸收已被利用很長時間[6]。另一個重要的例子是相干反斯托克斯拉曼光譜（CARS），其中兩個輸入波通過四波混合產生具有稍高光頻率的檢測信號。各種其他非線性效應，例如布里淵散射，可以通過其他方法來利用。

消除多普勒效應

氣體中的原子和分子由于熱運動而表現出吸收線的顯著多普勒展寬。然而，存在多種無多普勒光譜方法。例如，這可能涉及反向傳播激光束，其中一個方向的探測光束通過吸收飽和度選擇特定的速度等級[1]，而另一束光束則檢測該飽和度。這種方法稱為無多普勒飽和光譜 [27]。

太赫茲光譜學

一個相對較新的領域是太赫茲光譜學[21]，其中使用太赫茲輻射（頻率為數百千兆赫到數太赫茲）代替光。盡管激光器不能直接發射太赫茲輻射，但它們可以以不同的波用于產生這種輻射，例如通過使用電光采樣或非線性頻率轉換技術。此外，超短脈沖激光器可用于時間分辨 檢測太赫茲波。由于許多光學不透明材料對太赫茲輻射具有相當大的透明度，因此太赫茲光譜可用于廣泛的科學和技術研究。例如，它現在用于飛機零件的故障定位和安全檢查。

光頻梳

現代激光光譜學的一些技術采用鎖模激光器產生的頻率梳[15]。由于這樣的頻率梳在頻譜中包含一定數量的完全等距的線，因此如果僅固定兩個參數（可能通過某些反饋技術來穩定），則其所有頻率分量都是已知的（除了一些噪聲）：梳間距，即與脈沖重復率和載波包絡偏移頻率有關。因此，如果頻率梳具有高光學帶寬，則可以在寬波長范圍內進行極其精確的頻率測量（有時超過八度音程）并且具有適當的頻率穩定性。在頻率計量（特別是超精密光學時鐘）和其他領域有各種重要的應用。

高時間分辨率的時間分辨光譜學

光譜學還可能涉及具有極高時間分辨率的時間分辨測量。在泵浦-探測光譜中，使用超短泵浦脈沖，然后使用具有幾飛秒到幾納秒之間可變時間延遲的探測脈沖。泵浦脈沖對樣品的影響以及對探測脈沖的影響可以作為時間延遲的函數來測量，該時間延遲通常通過可變光學延遲線簡單地調整。另一種方法是使用兩個鎖模激光器，不同的脈沖重復率，使得一定范圍的時間延遲被連續掃描。