饱和吸收光谱是一种测量原子吸收光谱的技术饱和吸收光谱的特点是，吸收光谱信号的半高宽没有被多普勒展宽，仅仅由所涉及的原子能级跃迁的线宽和激光强度决定。常被运用于激光稳频的频率标准以及激光冷却等冷原子方面。
饱和吸收光谱简介
饱和吸收光谱是一种获得消除多普勒展宽的激光光谱方法，在1981年诺贝尔物理学奖中被提及，随后被应用于激光冷却捕获原子和玻色-爱因斯坦凝聚实验中，广泛应用于激光频率标准，可以用于半导体激光器的稳频，以及激光冷却等方面。当激光器输出的激光经过原子蒸气后，会发生吸收现象，当光子的频率和原子的超精细能级共振时，会发生强烈的共振吸收。失谐为0时，吸收最大。原子静止时，吸收峰的半高宽与原子跃迁线的自然线宽相当，约MHz量级，并且原子的能级十分稳定，因此共振吸收峰能够作为理想的激光稳频基准频率。
87Rb原子的超精细能级结构
但是由于在室温下原子进行强烈的热运动，运动速度在一个很大的范围内分布，多普勒效应就很明显了。对于某一频率的激光，不同速度的原子“感受”的频率是不同的，这导致了激光的频率在很大范围内都会有相应的原子发生吸收，使吸收峰被展宽到原子平均速度的的多普勒移频量级，约几百MHz。并且对于距离较近的跃迁线，在这个展宽下会被合并到一起，吸收峰进一步被展宽。正是因为多普勒展宽，原子的吸收谱线宽比起外腔半导体激光器的线宽大了两到三个数量级，无法用于稳频。需要在多普勒背景下使原子的超精细能级结构显现出来，这即是饱和吸收光谱法。
饱和吸收现象演示图
利用了原子与激光共振时的一些非线性效应。如图所示光路，一束强光（红色实线，也称泵浦光）和一束弱光（黑色虚线，也称探测光）沿同一直线相反方向穿过原子气池（为了演示清楚，图中分开了一个角度），这两束光频率相同。当原子池中原子同时受到相向传播的两列光作用时，对于频率 
（基态原子某一超精细跃迁共振频率）的泵浦光，可以将具有同样速度的基态原子几乎全部都激发到激发态上（或其他基态上），使吸收达到饱和。这时对于探测光，没有对于的原子来共振吸收，预期的吸收不存在，弱光束可以几乎无损的通过原子蒸气。只有速度为或者方向与光束垂直的原子即对光没有多普勒效应的原子会同时和两束光共振，引发饱和吸收现象。通过光电探测器接收后，呈现在示波器上的功率曲线则为吸收峰的状态。
铷原子D1线的饱和吸收光谱
此外在两个超精细跃迁线的中间，也存在交叉共振吸收峰，其产生的原理同样是多普勒效应。若原子以速度v运动，方向与泵浦光相反，泵浦光与探测光频率均为
，由于多普勒效应，该原子“感受”到的泵浦光频率 
以及探测光频率
，可以发现对原子来说两束光的多普勒移频量是相等的。当激光频率在两个共振频率中间时
，如果原子的多普勒移频足够大，使得其被泵浦光在
跃迁频率上共振吸收，而被方向相反的探测光在跃迁频率
上共振吸收，但泵浦光强很大，于是就产生和速度原子一样的饱和吸收的效果。。此外，在有些光路搭建时，除了泵浦光和探测光外，在泵浦光入射到原子池之前，会通过分光棱镜等，额外分出一束光，直接透过原子池，称为参考光，信号中只包含多普勒吸收信号。借助参考光，通过差分放大器将饱和吸收信号中的多普勒吸收曲线的本底消去。这样可以大大提高饱和吸收信号的信噪比，提高稳频的稳定性。
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