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La luminescence, émission radiative de photons par une substance luminescente, diffère de la réflexion ou de la réfraction. Elle résulte de processus d'excitation électronique variés, incluant des transitions excitoniques et électroniques (intrinsèques ou extrinsèques aux impuretés). La photoluminescence (PL), causée par photoexcitation, est un type de luminescence; la fluorescence et la phosphorescence en sont d'autres, plus utilisées en chimie et biologie. L'ajout d'impuretés (métaux de transition ou terres rares) crée des centres de luminescence dans les matériaux hôtes, formant des phosphores. La PL, émission spontanée de photons, contraste avec l'émission stimulée des lasers. La spectroscopie PL, méthode sensible et sans bruit de fond, caractérise divers matériaux (semi-conducteurs, isolants, milieux biologiques). Elle est complémentaire à la spectroscopie d'absorption (avec bruit de fond). Utilisée en imagerie microscopique (via fluorophores, GFP, ou points quantiques), la spectroscopie PL a des applications industrielles importantes (écrans, éclairage, détecteurs).

Un processus d'émission radiative (photon) dans une certaine substance est appelé luminescence et une telle substance est appelée matériau luminescent. La luminescence diffère de la réflexion, de la réfraction et de la diffusion de la lumière en ce qu'elle se produit à travers une variété de processus d'excitation électronique, y compris les transitions excitoniques, les transitions électroniques intrinsèques entre les bandes d'énergie et les transitions électroniques extrinsèques aux impuretés et aux défauts des semi-conducteurs, des isolants et des solides moléculaires organiques. Parmi les divers processus radiatifs, la photoluminescence (PL) est causée par l'absorption optique (photonique), c'est-à-dire la photoexcitation. Bien que le terme PL soit de préférence utilisé en science des matériaux et en physique et technologie de l'état solide, la fluorescence et la phosphorescence, qui sont des types de PL, sont des termes plus souvent utilisés dans les domaines de la chimie, des biosciences et de la science médicale, où le matériau luminescent est fréquemment appelé matériau fluorescent. De plus, l'incorporation intentionnelle d'impuretés telles que les métaux de transition, par exemple, Mn, et les éléments des terres rares (RE), par exemple, Er ou Nd, dans des matériaux hôtes isolants ou semi-isolants en font des centres de luminescence. Ces matériaux sont appelés phosphores. La PL est une émission spontanée de photons, tandis que l'émission de photons stimulée joue un rôle important dans les lasers à l'état solide et à semi-conducteurs, dont les matériaux de lasing sont également analysés ou caractérisés par des études PL. La spectroscopie PL est une méthode de mesure sans bruit de fond et donc une méthode optique sensible pour caractériser divers matériaux inorganiques et organiques, y compris les semi-conducteurs, les isolants, les milieux biologiques et la médecine.
En contraste, la spectroscopie d'absorption (voir SPECTROSCOPIE D'ABSORPTION ULTRAVIOLETTE ET VISIBLE), un complément de la spectroscopie PL, est une mesure avec bruit de fond non nul. La spectroscopie PL fournit une technique non-contact et non-destructive pour la caractérisation des matériaux pour la recherche scientifique ainsi que la fabrication de dispositifs semi-conducteurs. Par exemple, elle est définie comme méthode de test pour les normes industrielles afin d'obtenir la concentration d'impuretés III-V dans le cristal de Si (JIS H 0615, 1996 ; SEMI MF 1389-0704, 2004). L'application de la spectroscopie PL à l'imagerie microscopique dans des molécules individuelles et des environnements biologiques, par exemple, des cellules vivantes, est réussie grâce à l'aide de fluorophores, c'est-à-dire des molécules de colorants fluorescents, la protéine fluorescente verte (GFP) des méduses et des nanoparticules ou des points quantiques (QDs), qui servent de sondes fluorescentes pour fournir un contraste aux matériaux non luminescents ou sombres avec l'intensité et la longueur d'onde (couleur) de l'émission inhérente à eux-mêmes ou influencée par l'environnement biologique (Olympus FluoView). L'étude de la PL sur divers matériaux n'est pas seulement d'intérêt scientifique mais aussi industriel car elle est importante pour les panneaux d'affichage dans les équipements électroniques, l'éclairage comme les lampes fluorescentes, les diodes électroluminescentes, les détecteurs de scintillation, les dosimètres thermoluminescents, les peintures, les encres, les colorants, etc.