吸收两个光子而跃迁到高能阶的现象。在这个情况下，能阶之间的能量差正好等于吸收光子的总能。双光子吸收需要使两个光子与分子同时反应，因此反应机率远小于一般的单光子吸收，它的机率正比于光强度的平方，因此归属于非线性光学的范畴。关于双光子吸收的讨论可溯至玛丽亚·格佩特-梅耶1931年的博士论文，但当时雷射尚未发明，因此难以达到双光子吸收所需的光强度。实际的实验一直到1960年代才被实现。