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當一束連續光通過透明介質時，如果光波能量和介質中從基態到激發態的能量間隔相等，介質中的狀態將由基態被激發到激發態，透過透明介質的光將因這樣的吸收而光強減弱。由于激發態不同，它們的吸收能量不一樣，這樣在記錄透過透明介質后的光強時就形成了光強隨著波長變化的譜線，即吸收光譜。吸收光譜可以給出材料基質和激活離子的激發態能級的位置和它們的分布情況。
一束特定波長的單色光將激活離子從基態激發到某一個激發態能級，從這個激發態向低于它的各個能級躍遷發光，可以得到它到下面各個能級以及下面各能級到更低能級的發光譜圖，即熒光光譜。材料所發熒光經單色儀分光后，由探測器收集并記錄下各個波長的發光強度，它能夠反映這個能級到下面各個能級的躍遷概率、熒光強度以及熒光分支比等信息，提供該材料的最佳發射波長。同時，可以求得下面各個能級的位置，包括稀土離子的能級在晶場中的劈裂情況等。
監控一個特殊的熒光發射波長，改變激發波長，得到一個在不同波長激發下的熒光強度變化圖，即激發光譜。激發光譜可以提供熒光能級以上各個能級的位置，反映出各個能級向熒光能級的能量傳遞能力，找出該熒光獲得最高效率的最佳發射波長。
在復雜晶體中，通常有幾個稀土離子可以取代的陽離子格位，稀土離子的發光變得復雜并且難以分析。激光器出現以后，利用激光功率高、單色性好的特點，發展起來一種新的光譜測量方法，稱為選擇激發光譜。一般同一種稀土離子摻雜到同一晶體的不同格位時，不同格位稀土離子的能級會產生微小差別，可以利用可調諧激光器，調到一個合適的激發波長使某個格位的離子被激發，另一些離子暫不激發，得到一個格位的光譜后再按照同樣的操作更換到其他格位。這樣的復雜光譜將被各個格位的光譜解析。
