Фотолюминесце́нция, люминесценция, возбуждаемая в веществе под действием оптического излучения ультрафиолетового или видимого диапазонов. Фотолюминесценция подчиняется закону Стокса – Ломмеля: максимум спектра излучения всегда смещен по отношению к максимуму спектра поглощения люминофора в сторону более длинных волн. Это смещение объясняется наличием «стоксовых» потерь за счет того, что часть поглощаемой люминофором энергии рассеивается в кристаллической решетке, переходя в тепловую энергию. Если облучить вещество (люминофор) в любом агрегатном состоянии ультрафиолетовым или видимым электромагнитным излучением, фотолюминесцентное изучение испускается после того, как в возбужденном светом веществе заканчиваются процессы релаксации и устанавливается квазиравновесие. Время задержки составляет 10-12 - 10-10 с.
При высокой плотности оптического возбуждения (например, с помощью лазера) в некоторых материалах могут наблюдаться существенные отклонения от закона Стокса-Ломеля. Это происходит при взаимодействии падающих квантов света с возбужденными атомами вещества, когда энергия кванта добавляется к уже имеющейся энергии возбуждения. Тогда в небольшой области спектра излучения может регистрироваться люминесценция более коротковолновая, чем длина волны падающего излучения — антистоксовая люминесценция. Такие люминофоры получили название антистоксовых. С их помощью можно преобразовывать инфракрасное излучение лазеров в видимый свет.
Отношение числа фотонов люминесцентного излучения к числу фотонов возбуждающего излучения называется квантовым выходом h фотолюминесценции. В результате межмолекулярных взаимодействий, а в сложных молекулах и вследствие внутримолекулярных процессов, может происходить переход электронной энергии возбуждения в энергию движения молекул, т. е. в тепловую энергию. Такие процессы называются тушением фотолюминесценции, они приводят к тому, что квантовый выход фотолюминесценции оказывается меньше единицы. В отсутствие тушения фотолюминесценции, квантовый выход фотолюминесценции равен единице. Согласно закону С. И. Вавилова, квантовый выход фотолюминесценции постоянен в широкой области длин волн возбуждающего излучения и резко уменьшается при длинах волн, превышающих максимум спектра фотолюминесценции. Если при поглощении света происходит не только возбуждение, но и фотоионизация, фотолюминесценция возникает в результате рекомбинации электронов с ионизованными центрами свечения, и выход фотолюминесценции и ее свойства зависят от того, где поглощается возбуждающий свет — в центрах свечения или в кристаллической решетке основного вещества.
Фотолюминесценция широко используется в технике, так как около 10% всей вырабатываемой энергии идет на цели освещения, а применение фотолюминофоров, используемых в люминесцентных лампах, позволяет наиболее экономно расходовать эту энергию. Эффект фотолюминесценции используется также для люминесцентного анализа, люминесцентной дефектоскопии.