细胞内的叶绿素分子通过直接吸收光量子或间接通过捕光色素吸收光量子得到能量后，从基态（低能态）跃迁到激发态（高能态）。由于波长越短能量越高，故叶绿素分子吸收红光后，电子跃迁到最低激发态；吸收蓝光后，电子跃迁到比吸收红光更高的能级（较高激发态）。处于较高激发态的叶绿素分子很不稳定，在几百飞秒（fs，1 fs=10－15 s）内，通过振动弛豫向周围环境辐射热量，回到最低激发态（图3.2）。最低激发态的叶绿素分子可以稳定存在几纳秒（ns，1 ns=10－9 s）。

处于较低激发态的叶绿素分子可以通过几种途径释放能量回到稳定的基态。能量的释放方式有如下几种（图3.3）（Campbell et al.，1998；Roháček & Barták，1999；Malkin & Niyogi，2000）：1）重新放出一个光子，回到基态，即产生荧光。由于部分激发能在放出荧光光子之前以热的形式逸散掉了，因此荧光的波长比吸收光的波长长，叶绿素荧光一般位于红光区。2）不放出光子，直接以热的形式耗散掉（非辐射能量耗散）。3）将能量从一个叶绿素分子传递到邻近的另一个叶绿素分子，能量在一系列叶绿素分子之间传递，最后到达反应中心，反应中心叶绿素分子通过电荷分离将能量传递给电子受体，从而进行光化学反应。以上这3个过程是相互竞争的，往往是具有最大速率的过程处于支配地位。对许多色素分子来说，荧光发生在纳秒级，而光化学发生在ps级，因此当光合生物处于正常的生理状态时，天线色素吸收的光能绝大部分用来进行光化学反应，荧光只占很小的一部分。

活体细胞内由于激发能从叶绿素b到叶绿素a的传递几乎达到100%的效率，因此检测不到叶绿素b荧光。在室温下，绝大部分（约90%）的活体叶绿素荧光来自PSⅡ的天线色素系统，而且光合器官吸收的能量只有约3%～5%用于产生荧光（林世青，1996；Krause & Weis，1991）。