物質に光が照射されることによって物質中の電子がエネルギーの高い状態に移り（これを「励起」という）、この励起状態の電子が元のエネルギー（基底状態）に戻る際に特有の発光が起こる現象。この発光を分光器を用いてスペクトルに分解することにより、物質の種類や組成、物質中の不純物や欠陥の情報を得ることができる。励起光源としては単一波長の強い光が得られるレーザー光が用いられることが多く、レーザー装置と分光器と検出器を組み合わせたフォトルミネッセンス測定装置が市販されている。この装置は半導体製造分野において標準的に用いられており、半導体ウエハーやエピタキシャル成長層の品質評価、混晶半導体の組成評価、量子井戸構造の評価に利用されている。