Hiện tƣợng huỳnh quang có nguồn gốc từ các chuyển dời bức xạ giữa các mức năng lƣợng của điện tử khi vật liệu bị kích thích. Sau khi nhận đƣợc năng lƣợng kích thích, hệ điện tử hóa trị của vật chất chuyển trạng thái tới các trạng thái kích thích khác nhau. Thời gian tồn tại ở trạng thái kích thích nhanh hay chậm tùy thuộc vào tính chất của vật chất. Khi hồi phục về trạng thái cân bằng, năng lƣợng giải phóng của vật chất có thể ở các dạng khác nhau nhƣ nhiệt hay photon. Ánh sáng phát ra từ quá trình hồi phục đƣợc gọi chung là huỳnh quang. Với các nguồn tác nhân kích thích khác nhau, có các quá trình phát huỳnh quang khác nhau: kích thích bằng chùm photon có quang huỳnh quang (Photoluminescence), kích thích bằng chùm điện tử có cathode huỳnh quang (Cathodeluminescence), kích thích bằng bơm dòng điện tử có điện huỳnh quang (Electroluminescence),... Trong quá trình quang huỳnh quang tuyến tính, cƣờng độ huỳnh quang tỷ lệ với cƣờng độ ánh sáng kích thích. Còn các quá trình phi tuyến cho thấy cƣờng độ huỳnh quang tỷ lệ bậc hai hoặc lớn hơn so với cƣờng độ ánh sáng kích thích. Sau khi nhận đƣợc năng lƣợng kích thích, vật liệu có thể phát huỳnh quang.
Hình 2.2 Cơ chế quang phát quang.
Muốn ghi phổ huỳnh quang, cần phân tích phổ bằng máy đơn sắc và ghi nhận tín hiệu tƣơng ứng, lƣu trữ và xử lý tiếp sau. Thông tin có thể nhận đƣợc từ phổ huỳnh quang là các chuyển dời hoặc tái hợp điện tử-lỗ trống sinh ra photon. Các bức xạ này đặc trƣng cho từng chất và từng loại chuyển dời/ tái hợp khác nhau trong vật chất.