也是消除光譜線多普勒增寬的一種好方法。這種技術于1974年首先見諸報道。在這種技術中，一束光由反射鏡沿著原路線反射回去，從而它們沿著相同的光軸向相反方向傳播，疊加后成為駐波。氣體樣品便放置在駐波場中。如果把激光光束的頻率調到所選定的原子躍遷頻率的一半時，在一定的條件下，同光束發生相互作用的每一個原子會同時地從兩個相反方向傳播的光束中各吸收一個光子。
設想在駐波場中沿著光軸方向運動著的一個原子在吸收從相反方向來的兩個光子時，光子之一的多普勒移位是朝著紫光方向的，也就是說具有較高的頻率，而另一個光子的多普勒移位則是朝著紅光方向的，移位的大小同前一個光子的相等。所以，兩個被吸收的光子的總能量為常數，而不管原子的運動速度如何。因此，雙光子吸收便抵消了原子運動的多普勒效應，原子吸收的光頻率之和恰好為原子躍遷頻率。如果激光器的輸出頻率稍稍偏離于原子躍遷頻率的一半時，原子便不會吸收兩個相反方向的光子。因此，消除譜線多普勒增寬的效果是不佳的。即只有當激光頻率同原子躍遷頻率相匹配時，才能有效地消除多普勒增寬。
在雙光子吸收光譜學中，所有同激光光束發生相互作用的原子都能對無多普勒效應的信號作出貢獻，而不僅限于垂直光軸方向運動的原子，因此無多普勒效應的信號是很強的。這同飽和光譜學和偏振光譜學不同。在這兩種光譜中，沒有多普勒效應的原子是有選擇的，原子的運動要垂直于光軸；而在雙光子吸收光譜學中，凡是同光束發生相互作用的原子都可消除其多普勒效應。