光的波动说被确立以后，物理光学中最突出的成就是对光谱的研究。牛顿的棱镜已将太阳光分解成各种不同颜色的光线，他将之解释成不同光线具有不同的折射率引起的。现在人们又认识到不同的颜色其实对应于光的不同波长，不同波长的光的连续排列构成了所谓的光谱。事实上，所有的自然光都可以通过棱镜展示自己的光谱。18世纪，有人即已注意到各种化学物质在燃烧时发出的光彼此不同，后来又发现不同物质所发出的光的光谱各有显著的特征。
1814年，德国物理学家夫琅和费在测试新制造出的棱镜时，发现太阳光谱中有许多暗线。在此之前，他在灯光光谱中发现了钠的谱线，因此，他也希望在太阳中发现这些特征谱线。夫琅和费将太阳光谱记录下来，并将发现的暗线用字母标出。这些暗线今天被称为夫琅和费线。后来，他又多次观察月光和行星的反射光，发现其光谱与太阳光谱完全相同。1821年，夫琅和费第一个用光栅（间隔很小的细丝）作为折射装置，使太阳光形成了一个更精细的光谱。利用光栅，他试着测定了太阳谱线的波长。夫琅和费的工作当时没有受到重视，当然他本人也不太明白太阳光谱线中暗线的意义。
1859年，德国物理学家基尔霍夫解释了太阳光谱中暗线的含义。他发现，每一种单纯的物质都有一种特征光谱，光谱里面必有一条明亮的谱线正好表征该物质。但是，如果在足够强的自然光下观察这个特征光谱，由于该光谱被同波长的物质所吸收，其明亮的特征谱线便变成了明显的暗线。因此，太阳光谱中的夫琅和费暗线正好就是各种物质的特征谱线。基尔霍夫因此断定，太阳中必存在钠、镁、铜、锌、镍等金属元素。
由基尔霍夫开创的光谱分析方法，对鉴别化学物质有着巨大的意义。有许多化学元素，像铯（1860）、铷（1861）、铊（1862）、铟（1863）、镓（1875），都是通过光谱分析被发现的。当天文学家将光谱分析方法应用于恒星宇宙时，马上就证明了宇宙之间物质构成的统一性。据说，正当基尔霍夫从夫琅和费线中考察太阳里是否有金子时，他的管家不以为然地说：“如果不能将太阳上的金子取下来，关心它又有什么用？”后来，基尔霍夫因为他的伟大发现而被英国授予金质奖章，他将奖章拿给管家看，说：“你看，我不是已经从太阳上取了一点金子下来了吗？”
光谱分析不仅开辟了天体物理学的广阔前景，而且也为深入原子世界打开了道路。近代原子物理学正是从原子光谱的研究中开始的。
在19世纪光学以及光谱学的发展过程中，照相术的发明也值得一提。它不仅极大地丰富了现代人的日常生活情趣，而且为物理光学和天体物理学的发展提供了关键的设备。法国发明家达盖尔和涅普斯长期合作，最终于1839年造出了第一台实用照相机。它通过一个透镜在暗室里成像，由一块涂有银盐的铜片固定像。图像中明亮的部分使银盐变黑，没有起变化的银盐则被硫代硫酸钠溶解掉，于是得到一个不太清晰的永久图像。照相术一出现就引起了人们极大的兴趣。物理学家和天文学家则很快将它用于光谱分析，使之成为天文观测和光学实验中的重要工具。
