物质在共振条件下受到强相干光场作用时，在小于物质内部纵向及横向弛豫时间的时域范围内所发生的光学现象。诸如光子回波、光学自由感应衰减、光学章动、自感应透明等等。人们在样品弛豫时间那样短的时间标度内观察它的吸收和相干发射。不同类型的脉冲产生不同的瞬态效应,它为研究人员提供一套有力的、灵敏的工具,可以用来得到许多不同的光谱数据。人们最初在核磁共振中观察到这些效应,在1949年发现了瞬态章动,在1950年发现了自旋回声及自由感应衰变。自那时以来,脉冲的核磁共振已经发展成核磁共振光谱学的一个成熟的、重要的分支。光谱学中相干瞬态效应的历史是相当短的,因为直到1960年激光出现之前,没有一种符合要求的相干光源可供使用。1964年 Kurnit,Abella 和 Hartmann 在红宝石中对光子回声的观察(自旋回声的光学类似)是实验的首次突破。四年后,在气体中也观察到了相干瞬态效应。然而这些采用脉冲激光源的早期实验是非常困难的。直到1970年,由于新的实验技术和电子学的较快发展,这个领域才真正得到进展,并吸引了相当数量的科研工作者。

事实上，不难发现在无线电和微波波段都可找到与上述多种非线性光学效应相类似的效应。这正是相干光在某些方面酷似无线电波的结果。但是，由于光波波长比介质的尺寸小得多，因此非线性光学效应又应不同于无线电或微波波段的非线性效应，必须考虑光波在介质中的传播。由此要使前述的相当一部分非线性光学效应（通常这部分效应与参量作用过程相联系）真能出现还必须满足一些附加条件，例如位相匹配条件。

在原子或分子辐射过程的弛豫时间范围内，与入射共振光场间的一系列非线性光学效应。包括光学章动、光学自由感应衰减、光子回波等等。一般而言，此类效应只在入射激光相当强且与原子固有频率发生共振时才会发生。此类效应的共同特点是，原子或分子在外界入射共振光场作用下，产生的感应振荡电偶极矩在弛豫时间内所保持的位相关系起着关键作用。其中不少效应是在将光共振与磁共振进行对比的过程中被预言和证实的。

磁矩M在恒磁场H0中会围绕后者作拉莫尔进动，进动圆频率为γH0，其中γ称为回磁比。如果在垂直于恒磁场的平面内同时有一圆频率为w的圆偏振交变磁场H1，则在以恒磁场方向为转轴角速度为ω的旋转坐标系上，磁矩M围绕矢作拉莫尔进动。进动圆频率此运动图像是讨论磁共振的基础。

圆频率为w 的相干光作用于二能级原子，一方面改变原子在上下两能级上的布居，同时也会感生出一个圆频率为w的振荡电偶矩。如果不考虑原子的弛豫过程，则无论是原子在上下两能级的布居数差，或是感生电偶极矩的振幅，都是随相干光作用的时间周期地变化的。

而且，在光场作用停止前激励起的振荡电偶极矩和所产生的能级布居数差仍将在光场作用停止后保持下去。这样一个过程可以用一个虚构的偶矩矢量（称为赝偶矩矢量）在一个虚构的场（称为赝场）中的运动来表示。此赝偶矩矢量P的x和y分量px和py表示原子的感生振荡偶矩的x和y分量（设光沿z方向传播）；其z分量则与上下能级的布居数差（ρ11-ρ22）成比例，比例系数β是二能级间的电偶极矩跃迁矩阵元。赝场E的x和y分量定义为作用于原子的真实光波电场的X和Y分量，其z分量Ez定义为-媡ω20/β。ω20是二能级原子的固有频率。

上述过程相当于这样一种运动：在以z为转轴、角速度为w的旋转坐标系上，赝偶矩矢量P围绕赝有效场EL作拉莫尔进动，其中（ε为光波电场振幅，╖为单位矢量）。进动圆频率为。这种用来描述相干光与二能级原子相互作用的方法称为光学矢量模型。事实上，无论是光感生的能级布居数差或振荡电偶极矩都有回复到原来状态的倾向。这分别称为纵向和横向弛豫。能级布居数差回复到起始值，感生偶矩的振幅变到零，两者所需的特征时间T1和T2分别称为纵向和横向弛豫时间。

这种弛豫过程在上述光学矢量模型中表示为：赝矢量P的z分量pz有回复到起始值p悐的倾向，特征时间为T1，P的x和y分量px和py有回复到零的倾向，特征时间为T2。经过上述处理，光共振和磁共振过程就变得极为相似了。正如在磁共振中曾经观察到一系列瞬态相干效应那样，在光共振中也预言和观察到一系列瞬态相干效应。

讨论这些效应的基础则是前面描述的光学矢量模型。但是，光共振和磁共振仍然存在重大差别。差别在于在光共振中物质的尺度大大超过光的波长，因而存在着光在被作用物质中的传播问题。由此光学瞬态相干效应又具有自己的特点。瞬态相干光学效应内容很丰富。只列举其主要者如下。

当振幅恒定的光波作用于共振媒质（即固有频率与光波频率共振的媒质）时，在光场加入的开始阶段，光波的振幅会受到调制，调制圆频率为。随着光场加入时间的增长，调制将逐步消失。　

此现象发生的原因是：当加进与原子共振的光波场（振幅为ε）时，原来与z轴平行的赝矢量P立即围绕有效场EL进动（图）。

因为现在w=w0、EL=，而又落在xy平面上，故P围绕垂直于z轴的某个轴以圆频率。进动。由于P时而朝上，时而朝下，pz时而取正值，时而取负值，故上下能级的粒子数周期性地发生变化。这个变化反作用于光波场，使原来的光波受到圆频率为。的振幅调制。当然，这种现象只出现在共振光场加入的开始阶段，因为当经历弛豫时间后，P就趋于一个稳定的取向而不再进动了。同时，光强也要足够强，使P在弛豫时间之内至少已进动了一周以上，才可能观察到。

设有一共振的光波已经较长时间作用于原子系统。如果突然给原子施加一恒定电场，使原子的固有圆频率w0发生了Δw的斯塔克移动，则光波振幅出现圆频率为Δw的衰减振荡。

此现象可作如下解释：由于共振光场的较长时间作用，P矢量到达一个新的稳定取向。当原子的固有圆频率发生Δw的斯塔克移动后，光波的频率便远离原子现有的固有频率。

同时，在以恒定角速度为w 的旋转坐标系上，矢量P开始围绕z轴以Δw的圆频率进动。这也意味着在固定坐标系上 P开始围绕z轴以w+Δw的圆频率进动，从而感生偶矩的x和y分量以圆频率w+Δw振荡，并发出圆频率为w+Δw的辐射。由于横向弛豫过程，此辐射以弛豫时间T2逐渐衰减。又由于新产生的这个辐射波与原来的光波发生拍频，结果出现圆频率为Δw的衰减振荡。

光子回波（photon echo）是在若干与介质某一跃迁共振的强光脉冲 作用下，介质的瞬态响应引起的一种瞬态相干光学效应。是根据核磁共振 中自旋回波现象预言并经过实验验证的光学现象。 

先后向介质入射两个具有一定强度并与介质特定能级共振的电磁波脉冲，脉冲2宽度是脉冲1宽度的1倍，经过一段时间后介质发射出一个同频率电磁波脉冲，这个脉冲与脉冲2的时间延迟刚好是两个入射脉冲间的时间间隔，这就是自旋回波或光子回波。研究发现，光子回波的产生有两个条件。

其一是介质的跃迁必须是非均匀加宽的，即介质中不同的粒子的跃迁频率应稍有不同。通常介质除受到光脉冲的相干作用外，还受到自发辐射等其他的非相干激发，出现弛豫过程。将粒子分布趋向于到达热平衡值的过程称为纵向弛豫（特征时间T1）；而破坏态间相干性使其趋向于零值的过程称为横向弛豫（特征时间T2）。理论和实验证实，只有所有入射光脉冲宽度小于T1和T2，而它们的时间间隔比T2长不了很多时才有可能出现自旋回波，这就是光子回波产生的另一个条件。

在光学波段，一个与光场共振的二能级系统可等价于一个自旋为1/2的系统。可以采用类似宏观磁矩运动的图像来描述光子回波现象。

以后又发现这种现象也可用四波混频的理论来描述，将其视为瞬态四波混频。光子回波现象已经作为相干瞬态光谱的一种非常重要的实验方法，用于介质的弛豫时间等的测量。

经过适当安排，作为一种四波混频过程可以用来产生相位共轭波，在相位共轭光学中得到应用。此外，光子回波发生的过程里相位记忆等起了重要作用，光子回波现象还有可能用于信息存储。

设有一个共振的2nπ 脉冲，也就n为任意整数的脉冲通过媒质。由于这样的脉冲作用于原子，只会使原子的矢量P进动了n周后又回复到原来的状态。因此，媒质对光波没有任何吸收，就像是透明的一样。

这种现象称自感生透明。事实上，对2π光脉冲，脉冲的前沿部分发生原子对光的吸收，而在后沿部分原子又把吸收的能量交回给光波。对n>1的2nπ脉冲，也存在类似的能量经过吸收又被交回的过程。因而，这种效应必然伴随着光脉冲的整形以至分裂为多个脉冲。无疑，只有当光脉冲宽度不大于原子弛豫时间时才会发生自感生透明。

设有N个二能级原子，它们都处在布居数反转状态。理论和实验都已证明，通过它们与辐射场的相互作用可以使这些原来不相干的原子关联起来，从而形成一个电偶矩而发出很强的相干辐射。其辐射强度与N2成正比，而不像自发辐射那样与N成正比。此现象称超荧光。

近年来也已发现和研究了一系列三能级原子的瞬态相干光学效应及在光混频中的瞬态相干效应。

瞬态相干光学效应目前主要应用在固体和气体介质中共振谱线增宽性质的研究和激发态弛豫参量的测量。