量子态和光子的发射
分子和原子可以以不同的量子态存在。这些状态专用于不同的能级；能量最低的量子态称为基态。每个能量较大的态都是量子力学系统的激发态。电子可以被外源能源激发并切换到更高的能级，从而改变分子或原子的量子态。电子通常被称为被带到更高能量的状态。
电子被带入高能量状态的分子可以发射光子。这个过程叫做发光。为了达到激发态，电子必须受到一定能量的激发。它必须匹配两个量子态之间的能级差异。这种能量可以通过与光子的相互作用传递给电子。由于不同波长的光子的能量不同，所以光子需要合适的波长。由光子引起的发光称为光致发光。
不同的量子态跃迁导致荧光和磷光
有两个亚组的光致发光，荧光和磷光。它们在导致发光的量子态跃迁和光子重新发射的持续时间上有所不同。荧光在激发后几纳秒结束，而磷光可以持续几秒钟，在某些情况下甚至几个小时。量子态不仅可以分为激发态和基态，还可以分为基于不同自旋排列的单线态和三重态。
自旋是基本粒子的量子力学性质。在简化的术语中，它描述了粒子的内在角动量，例如电子，由其旋转引起，并通过自旋量子数“s”来描述。电子的自旋方向有两种，s = +1/2(正)或s = -1/2(负)。
自旋对可以是平行组合的（两个自旋都是正的或负的）或者是反平行组合的（一个自旋是正的，另一个是负的）。如果电子占据相同的原子轨道，它们的自旋就必须是反平行的。在反平行自旋对中，单个角动量相互补偿，总角动量值为零。这种自旋排列称为单线态。但如果两个电子占据两个不同的轨道，它们的自旋可能相互平行。两个平行旋转不进行补偿，得到的值不同于零。在这种情况下，自旋被称为处于三重态。
荧光描述了电子从一个激发态跃迁到另一个低能态(通常是基态)时光子的发射。这种转变在激发后迅速发生。能量以光子的形式释放出来。发射光子的波长大于激发光的波长，因为发射发生在荧光团向周围环境释放了一些能量之后。这一现象是由乔治·加布里埃尔·斯托克斯在1852年发现的，被称为斯托克斯位移。
磷光与荧光非常相似，但它依赖于激发态的形成。激发态可以在某些分子中形成。配对的自旋可以在称为系统间交叉的过程中解耦。系统间交叉受自旋-轨道耦合的影响。这涉及到电子的自旋磁矩和轨道角动量磁矩之间的相互作用。
在三重态中，电子向周围释放能量并达到三重态基态。该态的能量高于基态，但也低于激发单线态。电子不能切换回单线态，也不能过渡到基态，因为自旋是平行的，跃迁现在被自旋禁止。但从三重态到基态的一些变化是可能的。这些系统间交叉事件引起光子发射。因此，磷光描述了从三重态过渡到基态期间的光子发射。
黑暗的状态
显微镜下其他重要的量子态是暗态。一般来说，荧光分子暴露在极亮的激发光下可以导致电子通过系统间交叉(ISC)从激发态跃迁到长寿命的暗态。处于黑暗状态的分子无法吸收或发射原始波长的荧光光子，因此显得“黑暗”。三重态是暗态的一个例子。向黑暗状态的转变是一个可逆的过程。
光漂白
荧光团的光漂白是一个必须区别于向暗状态过渡的过程。光漂白是一个不可逆的过程，导致荧光团荧光能力的完全丧失。激发光诱导化学过程，改变分子，避免系统的激发。
光漂白还没有被完全理解。漂白很可能是由一个电子的多光子吸收带来的，然后被带到更高的激发态。这些更高的激发态可能会引起新的化学反应，这些化学反应可能会改变给定荧光团的结构。激发光的温度和功率对漂白过程有影响。在低光功率和低温下可以减少漂白。还必须注意潜在的反应物，例如具有自由基性质的氧在激发后会与染料发生反应并导致漂白。