Optiskais starojums ir elektromagnētiskā spektra diapazons, kurā ietilpst redzamā gaisma (400‒700 nm) un daļa no ultravioletā (UV: 10‒400 nm) un infrasarkanā (IS: 700 nm‒1 mm) starojuma apgabaliem. Pētot optiskā starojuma absorbcijas, atstarošanās, izkliedes un emisijas procesus, ir iespējams spriest par kvantu mehāniskām pārejām vielas elektroniskajā struktūrā. Optiskā spektroskopija apvieno daudzveidīgu metožu klāstu, kurās informācija tiek iegūta, analizējot optiskā starojuma mijiedarbības procesus ar pētāmo objektu.

Optiskā starojuma, precīzāk, redzamās gaismas, diapazons cilvēkos izraisa redzes sajūtu un līdz ar to ir viens no svarīgākajiem informācijas avotiem par mūsu apkārtējo vidi. Tas, kādā veidā materiāls mijiedarbojas ar gaismu – absorbē, atstaro, izkliedē vai izstaro –, nosaka tā pielietojumus ikdienā. Optiskajā spektroskopijā starojums tiek izmantots kā zonde, lai raksturotu mijiedarbības procesus ar vielu atomārā mērogā, ko plaši izmanto dabas un dzīvības zinātņu nozaru pētījumos. Optiskās spektroskopijas metodes ir neatņemamas daudzu nozaru produkcijas kvalitātes kontrolē, piemaisījumu analīzē un procesu uzraudzībā, kā arī elektronikā, sensoros, medicīniskajā diagnostikā un citos pielietojumos.

Atkarībā no starojuma mijiedarbības izpausmes ar pētāmo objektu izdala absorbcijas, atstarošanās, izkliedes un luminiscences spektroskopijas metodes. Grupēšanu var veikt arī pēc izmantotā optiskā starojuma diapazona UV, redzamās gaismas un IS starojuma metodes. Atsevišķi izdala vakuuma UV (vacuum ultraviolet, VUV) diapazonu (< 200 nm), kurā spektroskopisko pētījumu veikšanai traucē atmosfēras gāzu absorbcija un tādējādi eksperimenti ir jāveic vakuumā. Atkarībā no pētāmās sistēmas var izdalīt atomu, molekulu un kondensētās vides spektroskopijas metodes. Metožu apakšklasi veido svārstību spektroskopija – IS starojuma spektroskopija un Ramana spektroskopija –, kurā tiek pētīti molekulārie svārstību procesi vielā. Optiskās spektroskopijas eksperimenti var tikt integrēti optiskajos un skenējošās zondes mikroskopos, lai veiktu pētījumus mikromērogā un pat nanomērogā.

Elektromagnētisko viļņu un to parādību aprakstam optiskajā diapazonā var izmantot optikas teorijas. Lai izskaidrotu starojuma izraisītos procesus vielā, jāizmanto kvantu fizika. Viens no svarīgākajiem elektromagnētiska viļņa un gaismas kvanta – fotona – raksturlielumiem ir enerģija E.

Ja pētāmā viela tiek apgaismota ar starojumu, kura intensitāte ir I₀, tad vispārīgā gadījumā var novērot tā atstarošanos I_a, izkliedi I_i vai iziešanu cauri paraugam I_c. Pārējais starojums tiek vielā absorbēts un pēc tam vai nu emitēts luminiscences veidā ar intensitāti I_e, vai arī pārveidots citos enerģijas veidos, parasti siltumā.

Viena no optikas pamatparādībām ir gaismas atstarošanās. Tās laikā uz robežvirsmu krītošs vilnis maina virzienu, atgriežoties vidē, no kuras tas nācis. Kvantitatīvam parādības aprakstam tiek izmantots gaismas atstarošanās likums, kas nosaka, ka stara krišanas un atstarošanās leņķiem jābūt vienādiem. Izdala spoguļatstarošanos (specular reflectance) no gludām virsmām un difūzo atstarošanos (diffuse reflectance) no nelīdzenām virsmām, ko novērojam kā izkliedi dažādos virzienos. Gaismas izkliede var būt elastīga (krītošā un izkliedētā starojuma viļņa garumi ir vienādi) vai neelastīga (viļņa garumi ir atšķirīgi). Elastīgo gaismas izkliedi sīkāk iedala Mī izkliedē, ja daļiņu izmērs ir samērojams ar starojuma viļņa garumu, un Releja izkliedē, ja izkliede notiek no ļoti mazām daļiņām, piemēram, gaisa molekulām. Optiskā starojuma neelastīgo izkliedi dēvē par Ramana izkliedi jeb Ramana efektu.

Paraugam cauri izgājušā starojuma daļu samazina arī absorbcijas zudumi. Optiskā starojuma absorbcijas rezultātā notiek kvantu mehāniskas pārejas starp enerģijas līmeņiem vielas elektroniskajā struktūrā. Starojums IS diapazonā var ierosināt pārejas starp rotācijas vai svārstību apakšlīmeņiem; redzamās gaismas absorbcijas rezultātā notiek pārejas starp vielas elektroniskajiem apakšlīmeņiem, savukārt lielākas enerģijas UV starojuma kvanti var izsaukt arī jonizācijas procesus. Kvantitatīvam absorbcijas aprakstam tiek izmantots Bēra-Lamberta likums, kas saista krītošā I₀ un paraugam cauri izgājušā I_c starojuma intensitātes (jaudas) ar absorbciju un paraugu raksturojošiem parametriem.

Elektromagnētisks vilnis ir šķērsvilnis, kurā perpendikulāri viļņa izplatīšanās virzienam norisinās saistītas elektriskā un magnētiskā lauka svārstības. Atsevišķos gadījumos elektromagnētiskā starojuma mijiedarbība ar vielu var būt atkarīga no tā polarizācijas jeb svārstību virziena telpā. 

Daudzās vielās norisinās arī apgriezts process absorbcijai – starojuma emisija. Ar termisko starojumu nesaistītu elektromagnētiskā starojuma emisiju, kuras ilgums ievērojami pārsniedz elektromagnētiskā viļņa svārstību periodu, sauc par luminiscenci. Luminiscences priekšnosacījums ir enerģijas absorbcija, kuras rezultātā tiek ierosināti vielas atomu vai molekulu valences elektroni. Elektroni no ierosinātajiem stāvokļiem pakāpeniski atgriežas pamatstāvoklī, enerģijas starpību izstarojot fotonu veidā un pārējo zaudējot beizstarojuma procesu laikā.

Optisko parādību apraksts ir atkarīgs no vielas agregātstāvokļa. Atomu un jonu optiskās īpašības nosaka to elektroniskā struktūra, tas ir, elektronu skaits un izkārtojums čaulās. Molekulās atomi ir saistīti ar ķīmiskām saitēm, kā rezultātā ir iespējama to savstarpēja rotācijas vai svārstību kustība. Elektronisko stāvokļu aprakstam kvantu ķīmijā izmanto molekulāro orbitālo teoriju (molecular orbital theory). Cietvielās papildus jāņem vērā atomu ciešais izkārtojums režģī un to savstarpējās mijiedarbības, ko skaidro cietvielu fizika. Optiskais starojums var ierosināt elektronu pārejas starp valences un vadītspējas zonām (fundamentālā absorbcija), pašvielas defektos vai optiski aktīvos piemaisījuma jonos (aktivatoros), režģa svārstības un citus procesus. Svarīgs jēdziens spektru interpretācijā un sasaistē ar optiski aktīvā centra elektronisko struktūru un tā tuvāko apkārtni ir simetrija.

Viena no optiskās spektroskopijas pamatmetodēm ir absorbcijas spektroskopija. Absorbcijas eksperimenta pamatā ir paraugam cauri izgājušā starojuma mērījums atkarībā no starojuma viļņa garuma. Cauri izgājušā starojuma intensitātes atkarību no viļņa garuma raksturo caurlaidības spektrs, savukārt absorbcijas spektrā tiek attēlots vielā absorbētais starojuma sadalījums pa viļņu garumiem. Spektrālās analīzes veikšanai nepieciešams starojuma avots, elements tā sadalīšanai spektrā un detektors. Viens no galvenajiem kritērijiem avota izvēlē ir nepieciešamais spektra apgabals – UV un redzamās gaismas diapazonā piemēroti avoti ir starojuma lampas, gaismas diodes un lāzeri, savukārt IS spektra diapazonā izmanto arī sakarsētus materiālus, kuri emitē termisko starojumu atbilstoši absolūti melna ķermeņa modelim. Dažādu viļņu garumu atdalīšanai izmanto filtrus, prizmas vai difrakcijas režģus, bet Furjē transformācijas spektroskopijā izmanto interferometrisku signāla reģistrēšanas principu. Galvenie optikas sistēmas elementi staru gaitas kontrolei ir lēcas, spoguļi un optiskās šķiedras. Visplašāk izmantotie optiskā starojuma detektori ir cietvielu elektronikas ierīces.

Polarizētās gaismas eksperimentos optikas sistēma jāpapildina ar elementiem, kas ļauj iegūt lineāri vai cirkulāri polarizētu gaismu. Atbilstošās metodes iedala lineārā dihroisma (linear dichroism, LD) un cirkulārā dihroisma (circular dichroism, CD) metodēs, kas visplašāk tiek pielietotas biomolekulu un sintētisku polimēru struktūras analīzē. Elipsometrija (ellipsometry) ir cietvielu sastāva, morfoloģijas un dielektrisko īpašību raksturošanas metode, kuras pamatā ir gaismas polarizācijas mērījumi. Absorbcijas anizotropiju ārēja magnētiskā lauka klātbūtnē pēta magnētiskā cirkulārā dihroisma (magnetic circular dichroism, MCD) spektroskopijā.

Gaismu necaurlaidīgu paraugu struktūras un īpašību pētījumiem izmanto atstarošanās tipa spektroskopijas (reflectance spectroscopy) metodes. Izšķir iekšējās un ārējās atstarošanās metodes. Gludu virsmu raksturošanai veic mērījumus spoguļatstarošanās režīmā. Difūzās atstarošanās mērījumi ir piemēroti nepulētu virsmu un pulverveida paraugu analīzei. Šādu mērījumu veikšanai izmanto integrējošo sfēru (integrating sphere) – dobu sfēriskas formas optisko komponenti ar atstarojošu iekšējo virsmu, kuras uzdevums ir vienmērīgi izkliedēt pētāmo starojumu.

Atsevišķi tiek izdalītas optiskās spektroskopijas metodes molekulāro svārstību pētījumiem. IS starojuma spektroskopijā pārejas starp molekulu svārstību apakšlīmeņiem tiek ierosinātas tiešā veidā – starojuma absorbcijas rezultātā. Ramana spektroskopijā informācija par vielā notiekošajiem svārstību procesiem tiek iegūta, analizējot frekvenču nobīdes starp krītošo un neelastīgi izkliedēto starojumu. Tā kā starojuma izkliedes un absorbcijas procesi vielā ierosina atšķirīgus molekulu svārstību veidus, abas svārstību spektroskopijas metodes dēvē par komplementārām.

Luminiscences spektroskopijā ir ietvertas optiskās spektroskopijas metodes, kurās informāciju par pētāmo paraugu iegūst, analizējot luminiscences raksturlielumus – ierosmes vai emisijas viļņa garumu, luminiscences kvantu iznākumu, dzīveslaiku vai polarizāciju. Galvenais kritērijs, pēc kura klasificē luminiscences spektroskopijas metodes, ir luminiscences ierosmes veids.

Ir metodes, kurās tiek pētītas optiska signāla izmaiņas ārējas faktoru, piemēram, spiediena, elektriskā vai magnētiskā lauka, iedarbības rezultātā (perturbation spectroscopy). Optiskajā Zēmana spektroskopijā (Zeeman spectroscopy) tiek pētītas spektrāllīniju sašķelšanās statiskā magnētiskā laukā. Optiski detektējamās magnētiskās rezonanses (optically detected magnetic resonance, ODMR) metodēs tiek mērīta izmaiņa optiska signāla intensitātē elektronu paramagnētiskās rezonanses (electron paramagnetic resonance, EPR) iestāšanās brīdī. Dažas no ODMR variācijām ir MCD detektēta EPR (MCD-EPR), fotoluminiscencē detektēta EPR (photoluminescence-detected EPR, PL-EPR) un citas.

Optiskās spektroskopijas metodes plaši izmanto optiskajā un skenējošās zondes mikroskopijā, lai veiktu pētījumus mikro vai nanomērogā.

Optiskās spektroskopijas kā zinātnes pirmsākums meklējams 17. gs. otrās puses Īzaka Ņutona (sir Isaac Newton) optikas eksperimentos. 1666. gadā viņš demonstrēja baltās gaismas sadalīšanos dažādu krāsu starojumā, tai izejot cauri prizmai, un pirmais izmantoja terminu “spektrs”. 1704. gadā tika publicēta Ī. Ņūtona grāmata “Optika” (Opticks: or, A Treatise of the Reflexions, Refractions, Inflexions and Colours of Light), kurā tika aprakstīta gaismas korpuskulārā jeb daļiņu teorija un dažādas gaismas parādības. Viens no lielākajiem gaismas korpuskulārās teorijas oponentiem bija Ī. Ņūtona laikabiedrs – holandiešu fiziķis Kristiāns Heigenss (Christiaan Huygens), 1690. gadā publicējot gaismas viļņu teoriju grāmatā “Traktāts par gaismu” (Traité de la Lumière: Où font expliquées Les causes de ce qui luy arrive Dans la Reflexion & Dans la Refraction). 

Saules starojums bija viens no pirmajiem spektroskopisko pētījumu objektiem. 1800. gadā britu astronoms Viljams Heršels (Frederick William Herschel) atklāja, ka daļu no Saules spektra veido cilvēkiem neredzams infrasarkanais starojums. 1801. gadā līdzīgus novērojumus uz īsāku viļņa garuma pusi veica vācu zinātnieks Johans Riters (Johann Wilhelm Ritter), atklājot ultravioleto spektra apgabalu. 1802. gadā britu zinātnieks Viljams Volastons (William Hyde Wollaston) Saules spektrā novēroja tumšas joslas. Detalizētākus pētījumus ar pašbūvētu spektrometru, kurā pirmoreiz tika izmantots difrakcijas režģis, veica vācu fiziķis Jozefs fon Fraunhofers (Joseph Ritter von Fraunhofer). Līdz 1814. gadam viņš bija tabulējis vairākus simtus absorbcijas līniju Saules spektrā. 1859. gadā J. von Fraunhofera līniju sasaisti ar dažādu ķīmisko elementu raksturīgo absorbciju demonstrēja vācu zinātnieki Gustavs Kirhofs (Gustav Robert Kirchhoff) un Roberts Bunsens (Robert Wilhelm Eberhard Bunsen). G. Kirhofa un R. Bunsena darbs lika pamatus ķīmisku elementu spektroskopiskai analīzei.

Paradigmu maiņu starojuma un vielas mijiedarbību procesos 20. gs. sākumā iezīmēja kvantu optikas attīstība. Viens no kvantu teorijas aizsācējiem bija vācu fiziķis Makss Planks (Max Karl Ernst Ludwig Planck), 1900. gadā postulējot, ka enerģija tiek izstarota diskrētos daudzumos jeb kvantos, nevis nepārtraukta viļņa veidā. 1905. gadā Alberts Einšteins (Albert Einstein) izskaidroja fotoefektu, pieņemot, ka gaismas enerģija ir kvantēta, un ieviesa fotona jēdzienu. Dāņu fiziķis Nilss Bors (Niels Henrik David Bohr) 1913. gadā izstrādāja relatīvi vienkāršu atoma modeli, uz kura pamata bija iespējams izskaidrot ūdeņraža spektrā novērotās spektrāllīnijas. Gaismas kvantu teorija šķita nesavienojama ar skotu zinātnieka Džeimsa Maksvela (James Clerk Maxwell) klasisko elektromagnētiskā starojuma teoriju, taču eksperimentālo rezultātu skaidrošanai nācās pieņemt, ka gaismai piemīt “daļiņas un viļņa duālisms”. Par stūrakmeni kvantu sistēmu elektronisko līmeņu kvantitatīvam aprakstam kļuva 1926. gadā postulētais vācu fiziķa Ervina Šrēdingera (Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger) vienādojums. Uz tā pamata bija iespējams aprēķināt atomu enerģijas līmeņus, spektroskopisko pāreju varbūtības un izskaidrot optiskā starojuma absorbcijas un emisijas mehānismus. Pakāpeniski kvantu teorija tika pielāgota molekulu un cietvielu spektroskopisko īpašību skaidrošanai. 20. gs. 30. gados zinātnieki Hanss Bēte (Hans Albrecht Bethe) un Džons van Fleks (John Hasbrouck Van Vleck) izstrādāja kristāliskā lauka teoriju. 20. gs. vidū tika izstrādātas teorijas spektroskopisko īpašību aprakstam pārejas metālu (Tanabe-Sugano teorija) retzemju elementu (Jūda-Ofelta teorija) jonos. Nozīmīgi ir arī vairāki izgudrojumi – fotoelektronu pavairotāju detektori, lāzera starojuma avoti, cietvielu elektronikas ierīču un datoru attīstība –, kas pavēra jaunas iespējas optisko eksperimentu veikšanai.

Optiskā spektroskopija veido pamatu daudzu dabaszinātņu nozaru pētījumiem un tiek plaši lietota arī rūpniecībā. Viena no būtiskākajām priekšrocībām, salīdzinot ar citām metodēm, ir tāda, ka mērījumu jutība un laika izšķirtspēja ir ļoti augsta. Mērījumi ir nedestruktīvi, neinvazīvi un veicami attālināti, turklāt ir iespējams pētīt vielu visos agregātstāvokļos. Mūsdienās ir iespējams veikt optisko signālu mērījumus no atsevišķām molekulām un pētīt procesus, kas ilgst femtosekundes (10^-15 s). Tālāka optiskās spektroskopijas attīstība ir saistīta ar tehnoloģiskiem uzlabojumiem mērinstrumentu parametros, jaunu eksperimentālu un teorētisku metožu attīstīšanu sarežģītu materiālu, struktūru un procesu analīzē, kā arī ar spektrometru minituriazāciju un plašākas pielietojamības veicināšanu.

Pēc “Scopus” datubāzē pieejamās informācijas, visvairāk ar optisko spektroskopiju saistītus zinātniskus rakstus ir publicējuši pētnieki no Ķīnas Zinātņu akadēmijas (中国科学院), Francijas Nacionālā zinātnisko pētījumu centra (Centre national de la recherche scientifique) un Krievijas Zinātņu akadēmijas (Россuйская акадeмия наyк).

Pēc “Scopus” datubāzē pieejamās informācijas, augsta līmeņa periodiskie izdevumi, kuros optiskās spektroskopijas pētījumi parādās visbiežāk, ir Applied Physics Letters (kopš 1962. gada), ko izdod Amerikas Fizikas institūts (American Institute of Physics), Applied Surface Science (kopš 1984. gada; izdevējs Elsevier), Journal of Physical Chemistry C (kopš 2007. gada), ko izdod Amerikas Ķīmijas biedrība (American Chemical Society), Journal of the American Chemical Society (kopš 1879. gada; izdevējs Amerikas Ķīmijas biedrība), Nature izdevniecības žurnāli (kopš 1869. gada; izdevējs Nature Research) un citi.

Nozīmīgi pētnieki optiskajā spektroskopijā ir optiskā starojuma neelastīgās izkliedes atklājējs Kariamanikams Krišnans (Sir Kariamanikkam Srinivasa Krishnan), par ko viņš 1930. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā, un 2014. gada Nobela prēmijas laureāti ķīmijā – Ēriks Bercigs (Eric Bertzig), Viljams Mērners (William Moerner) un Štefans Valters Hells (Stefan Walter Hell). Prēmija piešķirta par augstas izšķirtspējas fluorescences mikroskopijas metožu izstrādi.