対物レンズを通して励起光・プローブ光の２本のレーザー光を吸収する物質がある場合には、試料液量が光を吸収し輻射緩和する分を除いたエネルギーはすべて 熱エネルギーとして溶媒中に放出され温度上昇が起こります。
温度上昇の空間分布について考えると、レーザー光の強度分布と熱拡散によって、レーザーの光軸周りには高い温度分布勾配が形成されます。水などの液体の場 合、屈折率は温度上昇により下がるため、レーザー光軸の中心ほど屈折率が低く、周辺部ほど屈折率の高い状態が形成されます。
この屈折率分布は光学的には凹レンズと等価であり、熱レンズと呼ばれます。熱レンズの度は発生した熱量、すなわち試料の量・濃度に比例するため、熱レンズ の度の測定から試料の定量が可能となります。実際の測定では、励起光を変調し、プローブ光の光量変化を同期検出します。