1简谐振动模型
为了合理地解释光与物质相互作用产生光谱的物理机制，物理学家建立了多种理论模型如刚性转子、简谐振子（线性谐振子）、非刚性转子、非谐振子、转动模型及多原子分子振动及转动模型等，其中双原子分子线性简谐振动模型所给出的分子振动频率位于中红外波段区，刚性转子模型和转动模型一般是用来研究气态分子与光相互作用机理。下面就给出双原子分子线性谐振子振动模型分别在经典力学和量子力学表述下如何解释光与分子相互作用产生光谱的理论推导过程。
2 非简谐振动模型
尽管线性谐振子的量子模型可以解释在红外区域中所观察到的由于分子的基本振动模式所产生的特征吸收带，但是实验发现在特征吸收带所对应的基频的二倍、三倍等频率位置出仍有较强的吸收带，这就表明把分子作为简谐振动模型只是一种较为粗略的近似，难以解释在近红外区所出现的倍频现象。这与基频吸收带所允许的跃迁定则是截然违背的。
空间中分子由于其它分子以及自身的自旋影响，模型并不完全满足线性谐振子条件，原子之间的弹性振动并不遵循胡克定律，这就导致原子可以获得更大的跃迁几率而到达倍频位置，这也正是近红外光谱分析技术所依托的光谱机理。
当分子中的双原子相互接近或远离而偏离平衡位置时，由于原子核间库仑力的作用分子系统的势能将以很快的速度增加，在较低频率处，非线性谐振子所给出的势能曲线与线性谐振子较为相近，而在较高频率处，势能增加到一定程度时非线性谐振子的势能曲线开始变得很平缓，依据能量守恒定律，势能增加的减少是由于分子体系中原子的振动能级发生了变化所导致的内能增加所致。
3 光与物质作用的物理特性
自然界中光每时每刻都在与物质发生相互作用并遵循特定的规律将特定频率的光子能量传递给物质，当光辐射入射到物质表面上时通常会存在三种能量转移形式：反射、吸收、透射。其中反射又可以分为漫反射和镜面反射，漫反射以体漫反射（Body reflectance）和表面漫反射两种形式出现。表面漫反射和镜面反射遵循相同的规律－反射定律，但表面漫反射又被称为是无规则反射平面的镜面反射。
镜面反射和表面漫反射是光经过物质的表面时直接被反射的物理现象，光并没有与物质发生任何作用，所以没有携带任何与物质成份相关的信息，在近红外光谱分析仪器技术中当作杂散光，对仪器的信噪比和精确度有较大的影响，在仪器设计以及样品制备过程中都要求重点考虑如何最大程度地消除镜面反射的能量干扰。
体漫反射是光能量透过物质表层与其微观结构发生相互作用后出射又进入其他微粒发生相互作用的现象，微观结构依据其化学键的不同运动模式与不同频率的光振动有选择性地发生耦合吸收，没有发生耦合吸收的光能量则被原子核通过多次反射后折出该物质表层，体反射出来的光信号与入射原始光信号之间的比值即反映了物质对不同频率光的选择吸收特性，即形成了测量物质的吸收光谱，反映了丰富的物质微观结构信息。
吸收光谱数据是在光谱测量频率范围内得到的与每个频率对应的相对值，通过这些相对值的强度和位置可以通过光谱理论推导分子的结构。
吸光度数据是物质对近红外波段光辐射能量入射前后的比值（无量纲单位），它是通过近红外光谱分析仪器的能量采集系统（主要是探测器）来得到的，它的大小与待测物质成份的浓度成直接的线性关系，进而可以以近红外光辐射为信息载体测量其经过物质后在近红外测量波段的能量变化来测量物质成份的浓度。
对于以上所提出的严格满足朗伯－比尔定律的条件，在近红外技术中很难完全满足，这就导致了在近红外光谱测量中会引入很多干扰因素，使得近红外光谱吸光度数据与化学成分浓度数据之间的直接线性相关性降低。通过对物质大量的近红外光谱进行解析发现，严重影响线性关系的主要因素是待测物质物理特性（如颗粒度、装填密度、均匀性等）所导致的基线平移和非线性偏移现象。
近红外光辐射与物质相互作用后的吸收特性一般通过透射、漫反射两种形式体现。当近红外光能量经过样品后被探测器探测到时，能量的衰减量与物质中成份的浓度含量是满足式线性关系，这其中就充分考虑了光辐射在物质颗粒间散射影响所导致的平均光程增大效应。
