利用单色光对准一种同位素的谱线位置，将它光解离或激励至激发态进行反应，而其余同位素不被光解或激发而存留于原来物料中，达到同位素分离的目的。
同一元素的不同同位素在原子光谱和分子光谱上都存在位移效应。例如原子光谱中，最大的同位素位移是半重氢的938埃线，ΔvHD＝31.2 厘米-1，最小的是 69Ga和71Ga的4033埃线，Δv＝0.0006厘米-1,而铀的4246.3埃线，Δv＝0.28 厘米-1。分子振动谱带的同位素位移则是同位素的折合质量上或分子的中心原子和整个分子质量上的差异造成的。例如HF和DF在 4000厘米-1处的位移约1100厘米-1,32SF6和33SF6在939厘米-1处位移8厘米-1，235UF6和238UF6在628厘米-1处的位移约0.65厘米-1。
在发现同位素和同位素光谱效应后不久，这种用光化学选择分离同位素的方案在1920年由T.R.默顿设想出来，随后的20多年内，曾用窄谱带光源进行了氯同位素和汞同位素的光化学分离。但由于光源不理想，分离效果不佳。
60年代初，出现了激光。由于激光的单色性、高强度和短脉宽等优异性能，自然地成为同位素分离的理想光源。1966年，W.B.蒂法尼、H.W.莫斯和 A.L.沙劳首次用激光进行了分离同位素的尝试。1970年，S.W.迈耶等首次用氟化氢气体激光器分离氢同位素成功之后，最近十多年来，已在实验室中，用激光方法成功地分离了氢、硼、氮、碳、氯、硫、钠、锂、溴、钙、钡、锇、铀等同位素。其中氢-氘同位素的分离系数高达10000以上，12C-13C的分离系数也达到600左右，都远远超过其他同位素分离方法，显示了激光分离法的明显优势。目前，硫、碳、铀同位素的激光分离，都已达到相当的规模。而意义最大、难度最高的是激光分离235U-238U同位素。目前，激光分离铀同位素主要有两种方法：原子法和分子法。
① 原子法是将金属铀在高温(约2500K)下加热气化成铀蒸气。用铜蒸气泵浦的三台染料激光器，以三种不同波长的激光,选择性地将235U进行三步光电离。电离了的235U原子，由电磁场收集成为浓缩产物，而中性的238U原子,则穿过磁场作为尾气收集。铀原子的电离能约6电子伏，光谱复杂，已发表的铀原子和离子的常规光谱约四万多条谱线。必须精选三条作为三步光电离的激光波长。一般采用5915.4埃作为第一步激发的激光波长。
② 分子法是将 235UF6和238UF6混合物经超音速膨胀来降低气体温度（约40K）并简化它的吸收光谱,然后用红外激光选择性地将235UF6激发到激励激发态,继而将它激发解离出氟原子而产生细粉状浓缩的235UF5,达到铀同位素分离目的。UF6分子光谱也很复杂,也必须精选分离所需的激光波长。分离所用的精调激光器也不够成熟。目前已发表的第一步激发的激光频率为628.33厘米-1。
