获得原子和分子光谱数据的实验技术和方法。光谱数据通常是指光谱线的波长、轮廓、强度、偏振以及谱线强度随时间变化的数据。由谱线波长数据可确定跃迁能级间的能量差，从而可确定能级的位置。谱线轮廓数据反映了与跃迁有关的能级的宽度、发光原子或分子的运动情况以及周围环境（如电场、磁场等）对发光原子或分子的影响。谱线强度有绝对强度和相对强度之分，它们的测量数据都与原子或分子的相应能级间的跃迁几率有关。谱线的偏振反映了发光原子或分子所处的状态（如对外磁场的取向等，见塞曼效应）。谱线强度随时间变化的数据可给出原子或分子的有关受激态寿命的信息。
实验方法
发射（及荧光）光谱法
将原子或分子激发到受激态，从受激态跃迁到较低能态时就发出标识发光粒子特性的辐射（见发射光谱），通过对这些辐射的光谱测量就可以获得相应原子或分子的光谱数据。
激发原子或分子的方法有多种，如电感耦合等离子体放电、电弧放电、火花放电等多种形式的气体放电，光或激光辐照，粒子轰击等。目前，发射光谱法已成为检测物质成分的光谱化学分析的基本方法。
吸收光谱法
具有连续谱的光通过原子或分子系统时,由于一些特定波长的光被特定的原子或分子吸收,而出现一些吸收线或吸收带（见吸收光谱），这些线或带反映了原子或分子特性的信息。通过对这些吸收的谱线测量，就可以获得原子或分子的光谱数据。吸收光谱法也是检测物质成分的重要方法。
具有特征谱线的原子光谱灯（如元素空阴极灯）发出的光通过原子化器中的待测样品，由吸收强度来确定待测样品的成分、含量等称为原子吸收光谱法，是光谱化学分析的基本方法。用一束或多束可调谐激光激发原子或分子系统，原子或分子吸收一个或多个光子从基态或低受激态跃迁到高受激态，然后通过碰撞电离或光致电离（见原子和分子的电离），产生电子、离子对，用电离检测器(如电离探针、电子倍增器、正比计数器等)测量，得到多光子电离光谱，从而获得原子或分子的光谱数据。这种方法广泛用于同位素分离，原子、分子物理研究，分析化学等领域。将待测的原子或分子样品放在可调谐激光器的腔内或腔外，用吸收光谱方法、饱和吸收光谱方法或光声光谱方法获得原子或分子的光谱数据，也是重要的研究方法。
散射光谱法
单色光照射分子系统时，光被分子系统所散射，由于声学振动，在入射光频率附近出现的散射光谱,称为瑞利散射光谱；由于光学振动,其散射光的光谱中出现不同于入射光频率的成分，这种散射称为喇曼散射。这种不同于入射光频率的散射光与入射光的频率之差随不同的分子而异。通过对散射光谱的测量，可以获得有关分子结构的信息。分子的红外吸收与喇曼散射的选择定则不同,因而这两种方法是互相补充的(见喇曼效应)。
实验设备
原子和分子光谱的实验设备通常有光源、相互作用室、分光仪和检测器几部分。在发射光谱法测量中，光源和相互作用室是结合在一起的。
光源
原子和分子光谱的研究已有较长的历史，人们已发展了多种用于不同波段内的连续谱光源和线谱光源。常用的光源有火花光源、弧光光源、各种气体放电光源和各种热辐射光源。
激光具有高亮度、高单色性和空间相干性，可调谐激光器的出现，使激光器的输出频率可以调整到与所要研究的原子或分子的能级跃迁发生共振。还可以消除多普勒效应对谱线增宽的影响，所以自激光出现后，特别是可调谐激光出现后，激光光源就迅速发展成为原子和分子光谱实验中的重要光源。应用激光光源，使得光谱分辨率提高了几个数量级，还使检测痕量物质的灵敏度提高了许多。用激光光源，可以实时地获得原子或分子的光谱数据。
同步辐射(见回旋加速器辐射和同步加速器辐射)含有从红外到真空紫外,甚至到X射线波段的连续光谱,其强度大，强度分布已知，经单色仪分光后也可作为单色可调谐光源使用。目前在红外和远红外，紫外和真空紫外区的一些光谱区域内还找不到较强的可调谐激光，因此同步辐射在原子和分子光谱实验中也得到了充分的利用。
相互作用室
传统的光与物质相互作用室是指气体和液体的吸收池，散射池。对于固态物质，则通常用热管炉使之加热汽化。这类相互作用室的共同的缺点是存在着原子或分子间的相互作用。针对这一问题，在许多高精度原子与分子光谱实验中使用了原子束和分子束装置。原子束和分子束是定向运动的原子或分子流，粒子间几乎无碰撞，当入射光与它们垂直相互作用时，可以消除一阶多普勒效应的影响。
束－箔光谱学是研究离子光谱的方法。使离子束穿过一固体薄箔,使待测的原子或分子受到剥离和激发,在箔后出现的一束发光的离子束，可供光谱测量之用。在垂直于束的方向距箔不同距离处测量束的发光强度，可获得离子相应能级寿命的数据。
分光仪和检测器
通常用棱镜光谱仪、光栅单色仪作为原子与分子光谱实验中的分光仪器。在红外和远红外区还使用傅里叶变换红外光谱仪作分光仪器。为测量谱线宽度和谱线轮廓，有时也使用法布里－珀罗干涉仪。光的检测器在紫外及可见波段通用的是光电倍增管（见光电管和光电倍增管），红外区则是红外光电检测器和热探测器。在多光子电离光谱中，常用各种电离检测器（如电离探针、电子倍增器等）测量光谱信号。光信号转换成电信号以后，可以用锁相放大器、取样积分器或信号平均器处理。对弱光信号可使用光子计数器。为获得能级寿命的有关数据，需进行时间分辨光谱测量。这时要选择响应时间短的光电转换器，用快速示波器、取样积分器或瞬态波形记录仪获得谱线强度随时间变化的数据。为缩短记录光谱的时间，可同时进行多道光谱测量。光学多道分析器具有同时进行多道光谱测量的功能。利用微型计算机控制原子和分子光谱的实验、采集和数据处理，可以提高实验效率。
可调谐激光器出现之后，使光源和分光仪器结合在一起，提高了光谱分辨率、空间分辨率和光谱检测灵敏度。超短脉冲激光器的出现，提高了光谱的时间分辨率。