80年代后期，利用稀土离子的上转换效应，覆盖红
绿蓝所有可见光波长范围都获得了连续室温运转和较 高效率、较高输出功率的上转换激光输出。
1994年Stanford大学和IBM公司合作研究了上转
换应用的新生长点—— 双频上转换立体三维显示 ，并 被评为1996年物理学最新成就之一。
2000年Chen 等 对比研究了Er／Yb：FOG氟氧玻
连 续 能 量 转 移 (SET ，
Successive Energy Transfer)
一般发生在不同类型的离子之间，其原理如图2：处于激发态的一 种离子(施主离子) 与处于基态的另外一种离子(受主离子)满足能 量匹配的要求而发生相互作用，施主离子将能量传递给受主离子 而使其跃迁至激发态能级，本身则通过无辐射驰豫的方式返回基 态。位于激发态能级上的受主离子还可能第二次能量转移而跃迁 至更高的激发态能级。这种能量转移方式称为连续能量转移SET。
图1(a)是激发态吸收(ESA)过程示意 图。首先，离子吸收一个能量为hv1 的光子，从基态1被激发到 激发态2．然后，离子再吸收一个能 量为hv2的光子，从激发态2被激发 到激发态3，随后从激发态3发射出比 激发光波长更短的光子。
在连续光激发下，上转换发光(来自能级3)的强度通常正比于I1,I2，
PA过程取决于激发态上的粒子数积累，因
止，在稀土离子掺杂浓度足够高时，才会 发生明显的PA过程，另外，PA过程也只 需要单波长泵浦的方式，需要满足的条件 是泵浦光的能量与某一激发态与其向上能
图5 PA过程
上转换发光影响因素
由于大部分上转换发光过程是分步 进行的，这就要求上转换过程的中间态能级有 足够长的寿命，以保证激发态离子有足够的时 间来参与上转换的发光或是其它的光物理过程。
发生在同时位于激发 态的同一类型的离子之 间，可以理解为三个离 子之间的相互作用，其 原理如图4所示。首先同 时处于激发态的两个离 子将能量同时传递给一 个位于基态能级的离子 使其跃迁至更高的激发 态能级，而另外两个离 子则无辐射驰豫返回基 态。
8.3.3 “光子雪崩”过程 (PA ，Photon Avalanche)
除此之外，上转换发光还要求多声 子无辐射跃迁几率处于较低的水平，因为低的 多声子无辐射跃迁几率除了能够保证长的激发 态寿命外，还可以保证上转换过程中的辐射跃 迁不被碎灭。
除了掺杂稀土离子的浓度以及原料纯度对上转换发 光效率有明显的影响外,人们就基质对稀土激活离子 (RE3+ ) 的影响已基本取得了共识:
用技术的需求以及半导体激光发展的促进所致，另一方 面也是随着上转换的机制等基础研究的突破和材料的发 展而发展的。
8.3 稀土离子上转换发光机理
8.3.1 激发态吸收(ESA， Excited State Absorption)
激发态吸收过程(ESA)是在1959 Bloembergen 等人提出的，其原理是同一个离子从基态能级通过连续 的多光子吸收到达能量较高的激发态能级的一个过程， 这是上转换发光的最基本过程。
I为激发光强．一些情况下，hv1=hv2 ，其发光强度通常正比于 I2．更一般地，如果需要发生n次吸收，上转换发光强度将正比于 In， 另外，ESA过程为单个离子的吸收，具有不依赖于发光离子浓 度的特点。
8.3.2 能量传递上转换(ETU， Energy Transfer Upconversion)
上转换发光本质上是一种反stocks发光，即辐射的能
量大于所吸收的能量。
迄今为止,上转换材料主要是掺杂稀土元素的固体化
合物，利用稀土元素的亚稳态能级特性，可以吸收多 个低能量的长波辐射，从而可使人眼看不见的红外光 变成可见光。
上转换发光具有如下优点
① 可以有效降低光致电离作用引起基质材料的衰退； ② 不需要严格的相位匹配，对激发波长的稳定性要求 不高； ③ 输出波长具有一定的可调谐性。
是ESA和ET相结合的过程，其主要特征 为:
泵浦波长对应于离子的某一激发态能级与
其上能级的能量差而不是基态能级与其激 发态能级的能量差;
其次，PA引起的上转换发光对泵浦功率有
明显的依赖性，低于泵浦功率阀值时，只 存在很弱的上转换发光，而高于泵浦功率 阀值时，上转换发光强度明显增加，泵浦 光被强烈吸收。
璃和Er／Yb：FOV钒盐陶瓷的上转换特性，发现后者 的上转换强度是前者的l0倍，前者发光存在特征饱和 现象，提出了上转换发光机制为扩散．转移的新观点。 近几年，人们对上转换材料的组成与其上转换特性的 对应关系作了系统的研究，得到了一些优质的上转换 材料。
频率上转换研究的这些发展一方面是由于社会对其应
交叉驰豫(CR，Cross Relaxation)
发生在相同或不同类型的离子之 间。其原理如图3所示。同时位于激 发态上的两种离子，其中一个离子将 能量传递给另外一个离子使其跃迁至 更高能级，而本身则无辐射驰豫至能 量更低的能级。
图3 CR过程
合作上转换(CU，Cooperative-
Upconver概念
上转换发光是在长波长光激发下，可持续发
射波长比激发波长短的光。
早在1959年就出现了上转换发光的报道，
Bloembergc在Physical Review Letter上发 表的一篇文章提出，用960nm的红外光激发 多晶ZnS，观察到了525nm绿色发光。1966 年Auzcl在研究钨酸镱钠玻璃时，意外发现， 当基质材料中掺入Yb离子时，Er3+、Ho3+ 和Tm3+离子在红外光激发时，可见发光几乎 提高了两个数量级，由此正式提出了“上转换
8.2 上转换技术的发展
上转换现象被Obrien B发现于上世纪40年
代中期，稀土离子的上转换发光现象的研究则 始于20世纪50年代初的Kastler A，至60年代 因夜视等军用目的的需要，上转换研究得到进 一步的发展。整个60－70年代，以Auzal 为 代表，系统地对掺杂稀土离子的上转换特性及 其机制进行了深入的研究，提出掺杂稀土离子 形成亚稳激发态是产生上转换功能的前提。