光致發光（縮寫為PL）是任何形式的物質在吸收光子（電磁輻射）后發出的光。 它是多種發光形式（光發射）中的一種，由光激發（即光子將原子中的電子激發到更高能級的光子）引發，因此前綴為 photo-。 激發后，通常會發生各種弛豫過程，其中會重新輻射其他光子。 吸收和發射之間的時間周期可能會有所不同：從涉及無機半導體中自由載流子等離子體的短飛秒發射到分子系統中磷光過程的毫秒； 在特殊情況下，發射延遲甚至可能長達數分鐘或數小時。

在特定能量下觀察到的光致發光可以被視為表明電子占據了與該躍遷能量相關的激發態。

雖然這在原子和類似系統中通常是正確的，但相關性和其他更復雜的現象也在半導體等多體系統中充當光致發光的來源。 半導體發光方程給出了處理此問題的理論方法。

光致發光過程可以根據各種參數進行分類，例如激發光子相對于發射的能量。共振激發描述了特定波長的光子被吸收并且等效光子被非常迅速地重新發射的情況。 這通常被稱為共振熒光。 對于溶液或氣相中的材料，此過程涉及電子，但不涉及化學物質在吸收和發射之間的分子特征的顯著內部能量躍遷。 在形成電子能帶結構的結晶無機半導體中，二次發射可能更復雜，因為事件可能包含相干貢獻，例如共振瑞利散射，其中與驅動光場保持固定相位關系（即沒有損失的能量彈性過程 涉及）和非相干貢獻（或一些能量通道進入輔助損失模式的非彈性模式），

后者起源于例如激子的輻射復合、固體中的庫侖束縛電子-空穴對態。 共振熒光也可能顯示出顯著的量子光學相關性。

當物質在從吸收事件中重新發射能量之前經歷內部能量躍遷時，可能會發生更多過程。 電子通過吸收光子共振獲得能量或通過發射光子損失能量來改變能態。 在與化學相關的學科中，人們經常區分熒光和磷光。 前者通常是一個快速過程，但會耗散一些原始能量，因此重新發射的光子的能量將低于吸收的激發光子的能量。 在這種情況下，重新發射的光子被稱為紅移，指的是它在這種損失后攜帶的能量減少（如 Jablonski 圖所示）。 對于磷光，吸收光子的電子經歷系統間交叉，在那里它們進入自旋多重性改變的狀態（參見術語符號），通常是三重態。 一旦被激發的電子轉移到這個三重態，電子躍遷（弛豫）回到較低的單重態能量在量子力學上是被禁止的，這意味著它發生的速度比其他躍遷慢得多。 結果是輻射躍遷回到單線態的緩慢過程，有時會持續幾分鐘或幾小時。 這是夜光物質的基礎。

光致發光是測量 GaN 和 InP 等半導體的純度和晶體質量以及量化系統中存在的無序量的重要技術。

時間分辨光致發光 (TRPL) 是一種用光脈沖激發樣品，然后測量光致發光隨時間衰減的方法。 該技術可用于測量 III-V 族半導體（如砷化鎵 (GaAs)）的少數載流子壽命。

在典型的 PL 實驗中，半導體被光源激發，光源提供的光子能量大于帶隙能量。入射光激發偏振，可以用半導體 Bloch 方程描述。 一旦光子被吸收，電子和空穴就會在導帶和價帶中分別以有限的動量 k {\displaystyle \mathbf {k} } 形成。 然后，激發經歷能量和動量向帶隙最小值的弛豫。 典型的機制是庫侖散射和與聲子的相互作用。 最后，電子在光子發射下與空穴復合。