扫描电镜阴极荧光（SEM-CL）是在扫描电子显微镜中产生的高能电子轰击下，材料发出的特征波长光子。材料中阴极荧光本质是成分、晶格结构和材料结构上叠加应变或损伤的复杂函数。固体能带理论提供了一种解释发光现象的方法。绝缘固体材料（如石英或方解石）可看作具有价带和导带，中间由能带间隙（禁带）间隔的材料。
如晶体受到足够能量的电子轰击，较低能量价带上的电子会被提升到较高能量的导带。当高能电子试图返回基态价带时，可能被本征（结构缺陷）和/或非本征（杂质）陷阱暂时捕获（微秒级）。如果电子离开陷阱时损失的能量在适当的能量/波长范围内发射，就会发光。
大多数光子落在电磁波谱的可见光波段（波长 400-700 纳米），部分落在电磁波谱的紫外和红外部分。陷阱可以通过几种可能的方式相互作用发光。一旦电子被激发到导带，它们可能不会遇到陷阱并落到价带，或者它们在晶体结构中随机移动，直到遇到陷阱。电子可能会从陷阱回到基态，或者它可能会遇到多个陷阱，这些陷阱发射的光子波长取决于能量差。CL 强度通常与陷阱密度呈函数关系。
光子能量< EGap
与杂质eA0的复合：中性受主的CB -空穴中的电子
D0h：VB中的中性施主-空穴的电子
DAP：中性供体的电子-中性受体的空穴
冷阴极荧光是最常用的光学阴极荧光系统，属于光学显微镜的附件。可在实现显微镜和阴极荧光对样品的同区域检测。在冷阴极荧光系统中，电子束由负高压下的阴极和接地电势的阳极之间放电产生的，放电真空度约 10-2 托（传统扫描电镜为 10-5 托或更高）。多数阴极荧光活性材料的阴极荧光强度相对较低。
样品的发光可通过显微镜的物镜观察，或用数码相机记录图像。冷阴极荧光发射可以提供矿物中所含微量元素或晶体中机械诱导缺陷产生的综合信息。对于地质研究更重要的是，阴极荧光在材料中的分布提供了晶体生长、替换、变形和来源等过程的基本信息。相对于扫描电镜阴极荧光，光学阴极荧光采集阴极荧光图像的主要限制包括：
拉曼光谱是一种非破坏性化学分析技术，它提供关于化学结构、相和多晶型、结晶度和分子相互作用的详细信息。它是基于光与物质内部化学键的相互作用。拉曼是一种光散射技术，采用的入射光为高强度激光源。
大多数散射光的波长（或颜色）与激光源相同，不能提供有用的信息，这被称为瑞利散射。然而，少量光（通常为 0.0000001%）以不同的波长（或颜色）散射，这依赖于分析物的化学结构，被称为拉曼散射。
扫描电镜拉曼将拉曼光谱耦合进扫描电镜的样品仓。这需要将激光照射到真空样品仓的样品上。拉曼光谱有多个峰，显示拉曼散射光的强度和波长位置。每个峰位对应一个特定的分子键振动，包括单键如 C-C、C=C、N-O、C-H 等，以及苯环呼吸模式、聚合物链振动、晶格模式等键组。
无论是在矿物学、陶瓷、半导体还是新型 2D 材料中，拉曼光谱、光致发光和阴极荧光都可提供分析物的不同信息。
阴极荧光和光致发光通常研究发光材料的带隙、不同的激子复合途径、生长缺陷和杂质，而拉曼光谱探测材料的化学结构，并提供关于化学结构和特性、相和多晶型、固有应力/应变以及污染物的信息。通常，拉曼光谱是特定分子或材料的独特化学指纹，可快速识别材料，或将其与其它材料区分开。
拉曼光谱数据库可根据材料的拉曼光谱识别材料，在包含数千个光谱的光谱库快速搜索并找到与样品匹配的光谱。与扫描电镜拉曼和扫描电镜光致发光相比，扫描电镜阴极荧光采用电子束激发的主要优势是空间分辨率。空间分辨率在几十纳米，与材料特性及电子束的电压和束流等相关。（扫描）透射电子显微镜中，可分辨纳米尺寸的特征。而扫描电镜拉曼和扫描电镜光致发光，采用的激发光源为激光，因此空间分辨率被光学衍射限制在微米范围内。
直接带隙半导体如 GaAs 或氮化镓最容易通过阴极荧光技术进行检测，间接半导体如硅也会能够检测到微弱的阴极荧光。尤其是位错硅的发光不同于本征硅，可以用来映射集成电路中的缺陷。最近，扫描电镜阴极荧光也被用于研究金属纳米颗粒中的表面等离激元共振。
金属纳米粒子中的表面等离激元可以吸收和发射光，但这一过程与半导体不同。同样地，阴极荧光也被用作探测平面电介质光子晶体和纳米结构光伏材料的局域态密度。
扫描电镜阴极荧光也是矿物学和地质学中非常重要的技术，应用包括：
高灵敏度
与其它基于 X 射线分析的技术相比，扫描电镜阴极荧光（SEM-CL）的优势在于可分析具有在更低含量的化学成分变化。因此，相较于常规的 SEM-EDX 和 SEM-WDX ，阴极荧光更有利于微量稀土元素的检测。但阴极荧光对温度、化学成分、缺陷、应变、晶体结构等多种因素非常敏感，使得阴极荧光光谱的解释变得非常复杂。
高空间分辨率
样品内部发生相互作用的体积取决于几个因素：
特性描述
阴极荧光全光图像通常显示为灰度图像。 此灰度图像由每个像素发出并由探测器收集的光强度（积分强度）组成。通常使用直接耦合到阴极荧光收集口的光电倍增管来采集探测。
阴极荧光 RGB 成像是一个多光谱成像，由三个可见波段的原色数据带（红、绿、蓝）组成。这三个数据带组合在一起产生“真彩色”图像。
CL高光谱图像是每一个像素包含整个光谱的图像。电子束扫描样品获得小的映射(大约几百微米的尺度)，并在每个点获得完整的光谱。配有CCD探测器的光谱仪常用来收集光线。