高分辨光谱学是研究消除谱线多普勒增宽的光谱学分支。这里只涉及非线性领域。提高光谱学的分辨率一直是光谱学家努力解决的课题之一。早期原子光谱的研究工作受到光谱仪的分辨本领的限制，使用了迈克耳孙干涉仪及法布里－珀罗干涉仪等灵敏仪器后，便有效地提高了测量光波波长的精密度。但是，对于很靠近的光谱线仍是分辨不开的，例如氢原子光谱中的巴耳末线的成分。这并不是因为干涉仪的性能不够完善,而是因为谱线不够细锐。谱线的宽度掩盖了它的细致结构。谱线增宽的一部分原因是自然宽度的增加，即使在最佳的观测条件下，光谱线也不是绝对单色的。其原因是原子的稳态并不是真正的稳态，原子被激发后，会在一定的时间内辐射能量，也就是说，处于激发态的原子总是要衰变的。
激发态的这种有限寿命增大了谱线的自然宽度。谱线的自然宽度给光谱学的分辨设置了一个限度。但是一直到激光器在光谱研究中得到应用之前，几乎无法达到这个限度，其原因是在气体样品中，谱线在更大的程度上为多普勒效应所增宽，寻常的光谱学技术无法有效地消除谱线的多普勒增宽，因而也就难于提高光谱学的分辨率了。自1970年以来，激光光谱学技术得到了很快的发展，这种技术的成效之一是显著地提高了光谱学的分辨率，提高了几个数量级。激光光谱学方法能够有效地消除谱线的多普勒增宽。这些方法主要是饱和光谱学、偏振光谱学及双光子光谱学。
如果激光光束的频率稍稍偏离于原子跃迁的频率，则两个光束便分别地和不同的原子发生相互作用，而不是像光束的频率恰好为原子跃迁频率时，两个光束和同一原子发生相互作用那样。光谱学是研究物质和电磁波相互作用的科学。光谱研究使人类获得了大量有关原子和分子结构方面的知识。利用电磁辐射和物质相互作用时所观察的吸收光谱和发射光谱从多方面向人们提供了有关分子结构与周期环境相互作用的信息。自从激光问世之后，由于在常规光谱学领域引入激光，人们就可以用现代光谱学方法来深入研究物质的结构、能谱、瞬态变化和它们的微观动力学方程（包括弛豫规律），由此来获得用经典方法无法获得到的极为丰富的信息。
高分辨光谱学是一门主要涉及物理学及化学的重要交叉学科，通过光谱来研究电磁波与物质之间的相互作用。光是一种由各种波长（或者频率）的电磁波叠加起来的电磁辐射。光谱是一类借助光栅、棱镜、傅里叶变换等分光手段将一束电磁辐射的某项性质解析成此辐射的各个组成波长对此性质的贡献的图表。例如一幅吸收光谱可以在某个波段按照从低到高的波长顺序列出物质对于相应波长的吸收程度。随着科技的进展，光谱学所涉及的电磁波波段越来越宽广，从波长处于皮米级的γ射线，到X射线，紫外线，可见光区域，红外线，微波，再到波长可达几公里的无线电波，都有其与物质作用的特征形式。