Die Dopplerfreie Sättigungsspektroskopie, oft auch kurz Sättigungsspektroskopie, ist in der Laserspektroskopie ein hochauflösendes spektroskopisches Verfahren zur Untersuchung atomarer Spektren, bei dem durch geeigneten Versuchsaufbau die Effekte der Dopplerverbreiterung vermieden werden. Das Verfahren ermöglicht, Effekte wie die Hyperfeinstruktur und die natürliche Linienbreite atomarer Spektren zu vermessen.
Der prinzipielle Aufbau bei der Sättigungsspektroskopie besteht darin, dass ein durchstimmbarer Laser durch einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen unterschiedlicher Intensität aufgespalten wird. Beide Teilstrahlen werden über Spiegel so umgelenkt, dass sie parallel, aber gegenläufig durch die zu vermessende Probe (z. B. ein Gas) verlaufen. Dabei nennt man den stärkeren Strahl Pump- oder auch Sättigungsstrahl, den schwächeren Test-, Abfrage- oder Probestrahl. Der Probestrahl wird in ein Spektrometer geleitet, an dem abgelesen werden kann, welche Frequenzen in der Probe absorbiert wurden.
Alternativ ist es möglich, ohne Verwendung eines Strahlteilers zwei Laser mit gleicher Frequenz zu benutzen. Dabei muss allerdings zusätzlich sichergestellt werden, dass beide Laser tatsächlich mit derselben Frequenz betrieben werden, was einen größeren Aufwand erfordert.
Die Verwendung zweier gegenläufiger Strahlen stellt den Unterschied zur „normalen“ Spektroskopie dar, bei der nur ein einzelner Strahl durch die Probe direkt in den Detektor gelenkt wird.
Zur Beschreibung verwendet man die Betrachtung unterschiedlicher Geschwindigkeitsklassen der Teilchen der Probe. Haben sowohl Pump- als auch Abfragestrahl die Frequenz $ f $ und ist $ f_{0} $ eine Absorptionsfrequenz der Probe, dann können nur zwei Fälle auftreten:
Bildet man im Fall der Resonanz die Differenz der Absorptionsspektren mit und ohne Sättigungsstrahl, erhält man ein Absorptionsprofil ohne Dopplerverbreiterung. Die Breite der Linien ist jetzt nur noch durch deren natürliche Linienbreite gegeben.