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。
