Появление люминесцентных ламп стало подлинной революцией в технике освещения. Оно приносит огромную пользу, позволяя экономить миллиарды рублей. Вавилов считал, что по мере внедрения в быт люминесцентных источников света слово «люминесценция», подобно словам «радио» и «электричество», станет обыденным, привычным.
По настоянию Сергея Ивановича взрывобезопасные люминесцентные лампы были внедрены на шахтах Донбасса, их начали широко использовать на станциях Московского метрополитена, в высотных зданиях столицы, для освещения ленинградского Эрмитажа. Создание новых источников света получило высокую оценку.
В 1951 году коллективу ученых в составе Сергея Ивановича Вавилова, Вадима Леонидовича Левшина, Владимира Александровича Фабриканта, Марии Александровны Константиновой, Фатимы Асланбековны Бутаевой и Виктора Ивановича Долгополова за разработку люминесцентных ламп была присуждена Государственная премия СССР.
Велики заслуги С. И. Вавилова и в области разработки методов люминесцентного анализа. Своими фундаментальными исследованиями природы молекулярной люминесценции он заложил теоретические основы ее нового применения. Когда выяснилось, что каждое люминесцирующее вещество имеет характерный спектр излучения, Сергей Иванович предложил использовать это свойство для аналитических целей. Учитывая спектральный состав излучения пробы и интенсивность его свечения, можно проводить не только качественный, но и количественный люминесцентный анализ. Разработка методов количественного люминесцентного анализа была впервые начата перед войной М. А. Константиновой-Шлезингер, которую в 1943 году С. И. Вавилов пригласил в ФИАН.
Оказалось, что люминесцентный анализ обладает рядом достоинств, выгодно отличающих его от других видов анализа. В первую очередь это его огромная чувствительность. Люминесцентными методами удается обнаруживать стомиллиардные доли грамма вещества в одном кубическом сантиметре пробы. Другим его важным преимуществом является сохранность исследуемого вещества, тогда как при всех иных видах анализа проба полностью разрушается. Это обстоятельство очень существенно при работе с малыми количествами редких трудно добываемых веществ.
В настоящее время люминесцентный анализ широко используется в научных исследованиях и в различных отраслях народного хозяйства. Вавилов многое сделал для обеспечения работ по люминесцентному анализу необходимой аппаратурой. Он считал необходимым популяризовать успехи люминесцентного анализа: организовывал соответствующие совещания, хлопотал об издании пособий и руководств.
М. А. Константиновой-Шлезингер он поручил написать монографию по люминесцентному анализу. В то время у нее не было опыта литературной работы. Сергей Иванович помогал ей советами, попросил поработать с ней опытного редактора. В 1948 году монография вышла в свет. Она принесла большую пользу практическим работникам.
По инициативе Вавилова была переведена на русский язык с английского монография Петера Прингсгейма и Марселя Фогеля «Люминесценция жидких и твердых тел и ее практические применения», в которой большое внимание уделялось люминесцентному анализу. По его идее М. А. Константинова-Шлезингер начала работу по составлению реферативных сборников по люминесцентному анализу. Первый такой сборник вышел уже после смерти Сергея Ивановича, в 1951 году, под редакцией В. Л. Левшина.
Ряд работ по люминесцентному анализу был выполнен при непосредственном участии самого Вавилова. Так, в его лаборатории в ГОИ был разработан и внедрен в производство экспрессный метод сортировки различных видов оптического стекла с помощью люминесцентного анализа. Возглавляя Комиссию по изучению стратосферы, Сергей Иванович начал в ФИАНе исследования по определению люминесцентным методом содержания озона в высоких слоях атмосферы. Эти исследования диктовались потребностями геофизиков, они были нужны для решения ряда теоретических и практических задач. Метод был разработан М. А. Константиновой-Шлезингер.
Стремясь широко внедрять методы люминесцентного анализа в промышленность, Вавилов систематически направлял к М. А. Константиновой-Шлезингер и ее сотрудникам работников с производства для прохождения стажировки по люминесцентному анализу. Сергей Иванович был инициатором исследований по разработке методов люминесцентной дефектоскопии металлов.
Большой его заслугой стала и организация работ по ультрафиолетовой и люминесцентной микроскопии, получившей применение в биологии, медицине, геологии, в некоторых производственных процессах. Под непосредственным руководством С. И. Вавилова эти работы были начаты в ГОИ Е. М. Брумбергом перед самой войной. В 1942 году Е. М. Брумберг доложил отделению физико-математических наук Академии наук СССР о их первых результатах. Позднее им были разработаны оригинальные методы и создана оптическая аппаратура для изучения самых разных объектов в ультрафиолетовых лучах.