在测量中使用激光的另一个例子是光谱学——研究光与物质之间的相互作用。由于原子和分子具有不同的能级，具有明确波长的激光可用作研究原子或者分子的两种电子态之间能隙的工具：例如，通过记录光何时被物质吸收。

随着这个领域的发展，科学家们已经创建了一个包含我们已知的几乎所有元素和分子的原子和分子跃迁的巨大目录。通过这些知识，激光经常被用来检测气体中各种物质的存在，甚至确定凝聚炸药。

显微镜学是又一个受益于激光发展的领域。起初，显微镜只包含透镜，用于使用自然光将被研究的物体进行放大。由于光的波动性，这些经典光学显微镜受到衍射极限的限制。自从激光器发明以来，科学家们已经找到了利用其特性来超越衍射极限的方法。这些努力创造了一个新领域，称为超分辨率显微镜学，它超越了经典的传统显微镜学。例如，共焦激光扫描显微镜包含一个光线可以通过的小孔，因此反射光只能从系统焦平面返回到检测器。这能够实现绘制被调查样品的横截面。使用强激光，这项技术可以测量比使用传统光学显微镜更厚的物体，它主要用于生物学和医学。

还有其他依赖于激光的偏振度或者感应非线性光学效应的显微技术，例如偏振光显微镜和双光子或者多光子激发显微镜。图 2 显示了一张在激光扫描显微镜中进行检查的含有细胞的载玻片。

图 2 细胞的激光扫描显微镜

激光还在人类制造的最精确的时间测量设备——原子钟中发挥着关键作用。原子钟利用某些原子的已知能级差，以已知的频率产生高度稳定和可重复的信号。通过计算周期数，可以根据这个频率标准来测量时间。

小型原子钟用于从调整手机站频率到设置全球定位系统卫星时间的应用，但它们的运转不需要激光。然而，为了实现可能的最高精度（时钟被期望在超过1亿年误差不超过 1 秒），需要使用一种称为激光冷却的方法对位于设备中心的原子进行冷却。由于系综的温度与原子的速度有关，因此可以通过减慢原子速度将原子冷却到接近绝对零度。

为了使用激光冷却原子，几束激光束被引导到一组相同的原子上，随着原子吸收和重新发射光子，它们的速度下降：通过将激光的波长设置为略高于两个原子能级之间的能级差，我们只允许向激光源移动的原子吸收然后发射光子，因为对于这些移动的原子，由于相对论多普勒效应，光的频率正好是原子跃迁的频率：经典多普勒效应是为什么一辆救护车驶向我们时的声音比同一辆救护车远离我们时的声音高的原因。这是由于我们和救护车之间的相对运动造成的。相对论多普勒效应是一种由于光源和观察者之间的相对运动而发生在光波中的类似现象。

激光冷却是一个非常有趣的主题，但是为什么使用冷原子的原子钟会表现更好？这主要是因为较冷的原子移动较少，因此从它们发出的辐射频率的多普勒频移较少，使频率标准更稳定，因此时钟更准确。图 3 显示了美国国家标准与技术研究所搭建的通过高精度激光实现的实验室原子钟。

图3 基于激光的实验室原子钟

有趣的是，多普勒效应也可用于测量流体速度：这是使用激光多普勒测速仪实现的——该设备记录由于运动粒子反射引起的频率变化，以非常准确地测量流体速度。它是如何做到的？由于这种效应，当激光被移动的粒子反射时，其光频会发生变化，通过测量这种频率变化，可以计算出物体的速度。

激光在光学计量领域也得到了广泛应用。随着微电子行业的快速发展，在过去 50 年中集成电路上的元件尺寸显著缩小：晶体管尺寸缩小了 2000 倍——从 1971 年的 10 毫米减少到今天的约 5 纳米。这种减少导致集成电路制造的复杂性不断增加，激发了在各种制造过程中进行精确检查的需求。激光已被证明是当今使用的几种光学检测技术的关键组成部分。某些技术依靠测量来自样品的散射或者反射激光来检测缺陷，而其他技术则使用脉冲光源在短时间内加热样品，从而产生可以被另一束激光束检测到的声波。因此，激光的加入对于质量控制至关重要，并且显著提高了微电子行业中处于核心地位的自动化加工的产量。

激光已成为许多物理量的测量工具，并且先进激光系统的发展不断提高这些技术的准确性、速度和分辨率，而且有可能会为更多新测量技术铺平道路。