В результате многих исследований при больших и малых интенсивностях Вавилов получил отрицательный результат: в том и другом случае коэффициент поглощения оставался постоянным. Отсюда вроде бы следовало, что квантовые представления в оптике неприменимы. В действительности дело обстояло не так. Экспериментальные данные Вавилова были абсолютно верны. Позже он сам дал им именно квантовое толкование в работе «Микроструктура света». В 1926 году Вавилов вместе с В. Л. Лёвшиным наблюдал ожидаемое изменение коэффициента поглощения у соединений уранила и некоторых других веществ. Оказывается, для обнаружения этого эффекта необходимо, чтобы молекулы освещаемого вещества длительно (порядка 1 сек) находились в возбужденном состоянии. В первых же опытах длительность возбужденного состояния составила лишь 10~9 сек, и эффект не мог быть обнаружен.

Вавилов задумал широкую программу экспериментов по получению наглядных представлений о действии отдельных световых квантов. Эти работы по наблюдению квантовых флуктуаций света проводились Сергеем Ивановичем совместно с Е. М. Брумбергом, Т. В. Тимофеевой в течение 10 лет. Они применили простой и оригинальный способ изучения этого явления, основанный на том, что сетчатка человеческого глаза является чрезвычайно чувствительным прибором, способным воспринимать очень маленькие порции световой энергии (несколько десятков квантов). У глаза существует порог светового раздражения, следовательно, если на сетчатку падает световой импульс, равный порогу раздражения, то флуктуации числа квантов приведут к тому, что глаз в одних случаях будет видеть вспышку, когда световой импульс больше порога раздражения, или не увидит ее, если число квантов, составляющих импульс, меньше порога раздражения. Зная число попадающих в глаз импульсов и фиксируя обнаруженные глазом вспышки, можно определить число тех импульсов, которые глаз не заметил, так как они содержали недостаточное количество квантов. Простые по замыслу опыты требовали соблюдения некоторых непременных условий: кратковременной вспышки, очень малых размеров изображения и точной фиксации глаза, так как разные места сетчатки одного и того же глаза обладают разной чувствительностью.

Исследования дали возможность определить число квантов, соответствующих порогу зрительного восприятия. Было показано, что для разных наблюдателей это количество различно и зависит от длины волны падающего света. Опыты имели важное значение не только для подтверждения квантовой природы света, но и для изучения физиологии глаза: его чувствительности к разным длинам волн, определения прозрачности глазных сред и др.

В дальнейшем С. И. Вавилов поставил задачу обнаружить квантовую структуру света в таких явлениях, которые целиком и полностью объяснялись только с точки зрения волновых представлений. Совместно с Е. М. Брумбергом он доказал, что при наблюдении интерференционной картины интерферирующих пучков малой интенсивности темное место остается все время темным, а светлое меняет свою яркость благодаря тому, что сюда в разное время приходит разное количество квантов.

Аналогично квантовые флуктуации были обнаружены в двух пятнах, освещаемых зелеными лучами очень малой интенсивности, поляризованными в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Значительное количество работ С. И. Вавилова относится к вопросу о природе элементарных излучателей. В них он предложил методы, дающие возможность судить о том, что представляют собой элементарные излучатели, составляющие данную молекулу.

Тридцатилетнее настойчивое изучение Вавиловым явления люминесценции увенчалось крупными научными открытиями. Прежде всего явление было исследовано с энергетической точки зрения. Вопреки существовавшему мнению ученый показал, что в энергетическом отношении люминесценция не является побочным явлением, что до 80% падающей на типичные люминофоры световой энергии может превратиться в люминесцентное излучение. Это открытие существенно изменило наши взгляды на роль и эффективность люминесценции.

Сергей Иванович Вавилов (1891-1951)