Лазерна спектроскопія – розділ оптичної спектроскопії, методи якого засновані на використанні лазерного випромінювання. Застосування монохроматичного випромінювання лазерів дозволяє стимулювати квантові переходи між цілком певними рівнями енергії атомів і молекул (у спектроскопії, що використовує не лазерні джерела світла, вивчають спектри, що виникають в результаті переходів між величезним числом квантових станів атомів і молекул).

Перші серйозні лазерні експерименти в спектроскопії були здійснені після створення достатньо потужних лазерів видимого діапазону, випромінювання яких має фіксовану частоту. Вони були використані для збудження спектрів комбінаційного розсіяння світла. Принципово нові можливості лазерна спектроскопія придбала з появою лазерів з перебудовуваною частотою. Лазерна спектроскопія дозволила вирішити ряд важливих завдань, перед якими спектроскопія звичайних джерел світла була практично безсила. Висока монохроматичність випромінювання лазерів з перебудовуваною частотою дає можливість вимірювати дійсну форму спектральних ліній речовини, не спотворену апаратною функцією спектрального приладу. Це особливо істотно для спектроскопії газів в ІЧ області, де роздільна здастність кращих промислових приладів звичайного типу складає 0,1 см^-1, що в 100 разів перевищує ширину вузьких спектральних ліній.

Тимчасова і просторова когерентність лазерного випромінювання, що лежить в основі методів нелінійної лазерної спектроскопії, дозволяє вивчати структуру спектральних ліній, приховану зазвичай доплеровским розширенням, тепловим рухом частинок, що викликається, в газі. Завдяки високій монохроматичності і когерентності випромінювання лазера переводить значне число частинок з основного стану в збуджений. Це підвищує чутливість реєстрації атомів і молекул – в 1 см³ речовини вдається реєструвати включення, що складаються з 10² атомів або 10^-10молекул. Розробляються методи реєстрації окремих атомів і молекул.

Короткі і ультракороткі лазерні імпульси дають можливість досліджувати швидкоплинні (10^-6—10^-12 с.) процеси збудження, девозбуждения і передачі збудження в речовині. За допомогою імпульсів направленого лазерного випромінювання можна досліджувати спектри розсіяння і флуоресценції атомів і молекул в атмосфері на значній відстані і отримувати інформацію про її склад, а також здійснювати контроль забруднення навколишнього середовища, лазерне зондування атмосфери. Фокусуючи лазерне випромінювання, можна досліджувати склад малих кількостей речовини (що мають розміри порядку довжини хвилі). Це успішно застосовується в локальному емісійному спектральному аналізі.

Прилади, вживані в лазерній спектроскопії, принципово відрізняються від звичайних спектральних приладів. У приладах, що використовують лазери з перебудовуваною частотою, відпадає необхідність в розкладанні випромінювання в спектр за допомогою диспергуючих елементів (призм, дифракційних грат), що є основною частиною звичайних спектральних приладів. Іноді в лазерній спектроскопії застосовують прилади, в яких випромінювання розкладається в спектр за допомогою нелінійних кристалів.