光子回波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。

瞬态响应，指系统在某一典型信号输入作用下，其系统输出量从初始状态到稳定状态的变化过程。瞬态响应也称动态响应或过渡过程或暂态响应。瞬态响应好的器材应当是信号一来就立即响应，信号一停就戛然而止，决不拖泥带水。

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。

弛豫过程是指处于平衡态的系统受到外界瞬时扰动后，经一定时间必能回复到原来的平衡态，系统所经历的这一过程。

从非平衡态逐渐恢复到平衡态的时间为弛豫时间。在射频脉冲停止以后,核子释放所吸收的能量返回到热平衡状态，该过程称为弛豫过程，此过程包括两种形式：自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫；完成自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫过程所需时间分别用T1和T2表示。

激光出现为观察光子回波创造了条件。1964年用红宝石激光在红宝石晶体中观察到光子回波。以后还在一系列离子晶体、金属蒸气和分子气体中观测到光子回波。此外，还陆续观测到其他形式的光子回波。如入射两个以上光脉冲，经过适当安排，也观测到了光子回波。核磁共振研究中，已经用宏观磁矩在射频磁场作用下的运动图像很好地描述了自旋回波现象。

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。