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稀土上转换发光纳米材料的制备及其在生物医学成像中的应用一、本文概述随着科技的快速发展，稀土上转换发光纳米材料（Upconversion Luminescent Nanomaterials, UCNMs）因其在生物医学成像领域的独特优势，日益受到研究者们的关注。
本文旨在深入探讨稀土上转换发光纳米材料的制备方法，并系统阐述其在生物医学成像中的应用。
我们将从材料合成的角度出发，详细介绍不同制备方法的优缺点，以及如何通过优化制备过程来提高纳米材料的性能。
我们还将重点分析稀土上转换发光纳米材料在生物医学成像中的实际应用，包括其在细胞标记、活体成像以及疾病诊断等方面的最新研究进展。
通过本文的阐述，我们期望能够为读者提供一个全面、深入的视角，以理解稀土上转换发光纳米材料在生物医学成像领域的发展现状和未来趋势。
二、稀土上转换发光纳米材料的制备稀土上转换发光纳米材料，作为一种独特的纳米发光材料，其独特的发光性质使其在生物医学成像领域具有广阔的应用前景。
制备这种纳米材料的关键在于精确控制其组成、形貌和尺寸，以实现高效的上转换发光性能。
一般来说，稀土上转换发光纳米材料的制备主要包括以下几个步骤：选择合适的稀土离子作为发光中心，如Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺等，这些离子具有丰富的能级结构和独特的发光特性。
选择合适的基质材料，如NaYF₄、NaLuF₄等，这些基质材料具有良好的化学稳定性和较高的声子能量，有利于实现高效的上转换发光。
在制备过程中，通常采用溶液法、热分解法、溶胶-凝胶法等化学方法来合成稀土上转换发光纳米材料。
其中，热分解法是一种常用的制备方法，它通过高温热解稀土离子的有机盐，得到高质量的纳米晶体。
为了进一步提高上转换发光性能，研究者还常常采用表面修饰、核壳结构等方法对纳米材料进行改性。
在制备过程中，还需要注意控制实验条件，如反应温度、反应时间、溶剂种类等，以实现对纳米材料形貌、尺寸和发光性能的有效调控。
稀土元素在光电催化材料中的应用稀土元素，这听起来是不是有点神秘又高大上？其实啊，它们在咱们生活中的作用可大着呢，尤其是在光电催化材料这个领域。
我先给您讲讲我之前的一次经历。
有一回，我去参加一个科技展览会，在那里看到了好多新奇的玩意儿。
其中有一个展位展示的就是利用稀土元素制成的光电催化材料驱动的小装置。
那东西小小的，却充满了能量。
我凑近仔细观察，发现它的表面有着独特的光泽，讲解员告诉我，这就是稀土元素发挥作用的结果。
咱们先来了解一下啥是光电催化材料。
简单说，它就像是一个神奇的转换器，能把光能变成电能，或者把一些化学物质进行转化。
而稀土元素在其中的作用，那可真是关键中的关键。
稀土元素具有独特的电子结构和光学性质。
比如说，镧（La）、铈（Ce）、钕（Nd）这些常见的稀土元素，它们能吸收和发射特定波长的光。
这就好比它们是一个个精准的“光捕手”，能够把光能有效地捕捉并利用起来。
而且啊，稀土元素还能改善光电催化材料的晶体结构。
就像盖房子，材料的结构稳固了，房子才能更结实耐用。
稀土元素的加入，可以让材料的晶体结构更加有序，减少缺陷，提高光电转换效率。
再来说说光电催化分解水制氢这个热门领域。
氢气可是未来清洁能源的“明星”，而光电催化分解水就是制取氢气的重要方法之一。
在这个过程中，稀土元素可以作为催化剂的活性中心，加速反应的进行。
想象一下，就像在一场跑步比赛中，稀土元素是那个给运动员加油助威、让他们跑得更快的啦啦队。
还有在太阳能电池中，稀土元素也大显身手。
它们能够增强电池对太阳光的吸收，提高电池的光电转换效率。
比如说，在一些新型的钙钛矿太阳能电池里，加入少量的稀土元素铕（Eu）或者铽（Tb），就能让电池的性能大幅提升。
不仅如此，在环境治理方面，稀土元素也有贡献。
利用含有稀土元素的光电催化材料，可以降解水中的有机污染物，让污水变得清澈干净。
这就像是给地球做了一次“深度清洁”，让我们的环境更加美好。
回想在那个科技展览会上看到的小装置，我深深感受到了稀土元素在光电催化材料中的神奇魅力。
稀土元素在发光材料中的应用一、引言稀土元素是指地壳中含量较少的一类金属元素，包括镧系、钪系、钫系和铕系元素。
这些元素在自然界中分布稀少，但却在发光材料、催化剂、磁性材料等领域表现出卓越的性能，其中在发光材料中的应用尤为突出。
本文将就稀土元素在发光材料中的应用进行深入探讨。
二、稀土元素的特性稀土元素具有较宽的4f电子能级、较强的光吸收和发射能力，以及丰富的能级结构。
这些特性赋予稀土元素在发光材料中优异的发光性能。
此外，稀土元素的化学性质活泼，易于形成多种化合物，使其在发光材料中具有广泛的应用前景。
三、稀土元素在LED领域的应用随着LED技术的飞速发展，稀土元素在LED领域的应用也变得愈发重要。
例如，铯铷镧钼绿色荧光体可用于制备高亮度的绿光LED，镧钒氧化物则可用于制备红光LED，而氧化铈则可增强LED的稳定性和光电转换效率。
稀土元素的加入不仅拓宽了LED的发光波长范围，还提高了LED的发光效率和稳定性。
四、稀土元素在荧光粉领域的应用稀土元素的发射光谱范围广泛，且可调谐，使其在荧光粉领域具有巨大的应用潜力。
例如，铕离子可发出红光，铽离子可发出蓝光，镨离子可发出绿光，它们的荧光性能优异，可用于制备高亮度的荧光体和荧光标记剂。
此外，稀土元素的发光机制独特，可用于设计和制备具有特定发光特性的荧光粉材料。
五、稀土元素在激光材料领域的应用稀土元素在激光材料领域的应用也备受关注。
例如，钇铝石榴石晶体中掺杂少量铒离子可产生红外激光，铽离子可产生绿光激光，钇钨酸盐晶体中掺杂三价镱离子可产生蓝光激光。
这些激光材料具有较高的光学性能和热学性能，可用于制备稳定、高效的激光器件。
六、稀土元素在发光材料中的未来发展随着科学技术的不断进步，稀土元素在发光材料中的应用前景将更加广阔。
未来，可以通过控制稀土元素的配位环境、晶体结构和掺杂浓度来优化发光材料的性能。
同时，可以开发新型的稀土元素化合物，如钡钙钛矿结构的发光材料、尖晶石结构的发光材料等，以提高发光材料的发光效率和发光稳定性。
稀土元素在发光材料中的应用及其发光性能研究1.引言发光材料是一类在外界激发下能够发出可见光的材料，其在照明、显示、激光、生物医学等领域具有广泛的应用。
稀土元素作为一类特殊的元素，在发光材料中扮演着重要的角色。
本文将探讨稀土元素在发光材料中的应用及其发光性能研究。
2.稀土元素在发光材料中的应用稀土元素具有较高的原子序数和复杂的能级结构，使其在发光材料中具有独特的发光性能。
稀土元素常被用于制备荧光粉、磷光体、荧光玻璃等发光材料。
以镝、钬、铒、钆等为代表的稀土元素在不同的发光材料中展现出不同的发光行为，例如镝离子表现出红色荧光、钬离子表现出蓝色荧光等。
通过调控稀土元素的掺杂浓度、晶体结构等因素，可以实现针对性地调节发光颜色和发光强度，满足不同应用领域的需求。
3.稀土元素发光性能研究稀土元素发光性能的研究是深入了解其在发光材料中的作用机制和性能表现的关键。
研究表明，稀土元素的发光性能受多种因素影响，包括晶体结构、掺杂浓度、激发光源等。
例如，通过增加稀土元素的掺杂浓度，可以提高发光材料的发光效率和色纯度；通过选择合适的晶体结构，可以改善发光材料的光学性能；通过设计合适的激发光源，可以实现更高强度的发光效果。
此外，稀土元素的能级结构和跃迁规律也对发光性能起着决定性的作用，深入研究这些规律对于提升发光材料性能具有重要意义。
4.稀土元素的应用案例稀土元素在发光材料中的应用案例丰富多样，涉及照明、显示、激光等多个领域。
以镝为例，其在LED照明中的应用已经成为主流。
镝离子作为红色荧光发射剂，可以实现LED的白光变色效果，提高照明品质；钆和铒等稀土元素在激光器件中的应用也取得了显著的效果，为激光技术的发展提供了关键支持。
随着稀土元素在发光材料中的研究不断深入，其应用领域将进一步拓展，为科技发展和产业升级注入新动力。
5.结论稀土元素在发光材料中的应用及其发光性能研究具有重要意义，对于推动发光材料技术的发展具有深远影响。
稀土上转换发光应用稀土元素是指第三至第七十个原子序数的元素，这些元素在地壳中含量极少，但它们在现代科技和工业中却有着广泛的应用。
其中，稀土的上转换发光应用是非常重要和炙手可热的一个领域。
下文将从原理、应用、发展前景等方面来探讨稀土上转换发光的应用。
一、上转换发光原理稀土元素的电子结构决定其可以被分成两类：4f电子与外层电子的分离度不同，因而有内层跃迁和外层跃迁两种。
这两种跃迁引起的发光现象不同。
内层跃迁产生的是X射线、紫外线或者硬X射线辐射。
而外层跃迁则是稀土元素发光的基本原理。
稀土元素的最外层电子的量子态分布未完全填满，有一个或几个空的能级存在。
当这些外层电子被激发到高能级后，它们会逐个跃迁回到低能级，这个过程中会释放出可见光、近红外光和紫外光等。
稀土元素的外层跃迁分为两种，即内壳外电子跃迁和内电子外壳跃迁。
前者是指一个4f电子从内层能级跃迁到外层能级，后者是指一个内层电子与外层的4f电子之间进行电荷传递（也称“能量传递”或“电子传递”）过程中发射光子。
因为内层电子的能级更低，它们的外层能级的距离比较远，因此电子传递需要一个或几个中间介体来完成。
中间介体一般是钙钛矿（CaF2和SrF2）或氟化物晶体，如YF3、YbF3等。
稀土上转换发光具有许多优点，如它可以通过调整稀土离子的能级状态来发射不同波段的光，并且易于控制，不容易被破坏。
因此，它在生物医学、光电子学、传感器、光学储存等领域有着广泛的应用。
（一）生物医学应用稀土上转换发光可用于生物医学成像。
较低剂量的上转换荧光可以应用于骨骼成像展现低剂量的高质量成像表现。
稀土上转换发光荧光纳米粒子（UCNPs）的荧光可以通过肌肉组织和皮肤等组织的穿透点，以实现深度组织成像。
这些UCNPs可作为液态标记剂以及针对的成像前引导剂（PGD)。
另外，稀土上转换发光还可以用于分子分析和诊断。
例如，荧光共振能量转移（FRET）是利用稀土上转换发光器件的近红外能量来直接激发染色体分子的荧光共振能量传递(弗雷塔)。
稀土材料在光电转换中的应用前景稀土材料，这几个字听起来是不是有点神秘又高大上？其实啊，它们就在我们身边发挥着大作用呢！我先给您讲讲我之前的一次经历。
有一次我去参加一个科技展览，在一个角落里，展示着一组关于稀土材料的实验设备。
我好奇地凑过去，看到一块小小的板子在灯光下闪烁着奇妙的光芒。
工作人员告诉我，这就是运用了稀土材料的光电转换设备。
当时我就被深深吸引了，心里琢磨着这小小的稀土材料居然有这么神奇的本领。
那到底啥是稀土材料呢？稀土材料啊，是由稀土元素组成的一系列化合物。
这些稀土元素就像一群身怀绝技的小精灵，在光电转换的领域里大显身手。
在光电转换中，稀土材料那可是有着广阔的应用前景。
比如说太阳能电池，这可是清洁能源领域的大热门。
稀土材料能提高太阳能电池的光电转换效率，让更多的阳光转化为电能。
想象一下，未来我们的屋顶上铺满了高效的太阳能板，都是因为稀土材料的助力，家里的电器都能靠太阳公公“供电”，那得多爽啊！再来说说照明领域。
稀土发光材料能让灯光变得更加明亮、柔和而且节能。
您想想，以前那种昏暗的灯泡，和现在使用了稀土材料的节能灯泡相比，差别多大呀！咱们晚上看书、工作，有了好的灯光，眼睛也能舒服不少。
还有呢，在显示技术方面，稀土材料也有出色表现。
比如说彩色电视机、电脑显示器，稀土材料能让图像更加清晰、色彩更加鲜艳。
您看现在的高清电视，画面逼真得就像在眼前一样，这里面就有稀土材料的功劳。
不仅如此，稀土材料在激光技术、光纤通信等领域也有着重要的应用。
在激光技术中，稀土材料制成的激光器具有功率高、稳定性好等优点；在光纤通信中，稀土材料能增强信号的传输和放大。
不过，要让稀土材料在光电转换中发挥出最大的作用，还面临着一些挑战。
比如说，稀土材料的制备成本比较高，生产工艺也比较复杂。
这就像一个武功高手，要修炼一门绝世武功，需要付出很多的努力和代价。
但是，科学家们可没有被这些困难吓倒。
他们一直在努力研究，改进制备工艺，降低成本，让稀土材料能够更好地为我们服务。
稀土元素在发光材料中的应用稀土元素是指原子序数为57至71的元素，它们在周期表的镧系元素中。
这些元素在自然界中非常稀少，因此被称为稀土元素。
稀土元素具有独特的性质和各种应用，其中在发光材料中的应用尤为广泛。
一、稀土元素的特性及其在发光材料中的重要性稀土元素的电子结构相对复杂，使其在吸收、发射光子等过程中表现出特殊的物理和化学性质。
这些性质使稀土元素在发光材料中具有重要的应用潜力。
1. 发光性能的调控稀土元素的能级结构决定了其光谱特性，不同的能级跃迁将产生不同波长的发光。
通过控制稀土元素的化学配合物，可以实现对发光性能的精确调控。
这使得稀土元素成为了发光材料的重要组成部分。
2. 发光量子效率的提高稀土元素对于吸收和发射光子的高效率转换，使其在提高发光量子效率方面具有独特优势。
发光材料中引入稀土元素能够提高发光效果，使光源更加明亮且具有较长的寿命。
3. 宽波长范围的发射光谱稀土元素可以通过调控能级结构实现发光波长的精确控制，这在发光材料中具有重要意义。
通过组合不同稀土元素，可以实现宽波长范围的发射光谱，从紫色至红外波段均可覆盖。
这使得发光材料可适用于不同的应用场景。
二、常见的稀土元素发光材料及其应用领域1. 镧系荧光粉镧系元素的荧光性能优越，常被用于制备荧光粉。
通过掺杂不同的稀土元素，可以得到不同颜色的荧光粉。
这些荧光粉广泛应用于LED照明、显示器、荧光屏等领域，能够提供清晰明亮的发光效果。
2. 稀土元素掺杂的半导体材料稀土元素掺杂的半导体材料被广泛应用于激光器、光纤通信等领域。
例如，钇铝石榴石中掺杂镝离子可产生红光，被用作红光激光器的激活剂。
这些稀土元素激发的发光材料在信息传输和高精度测量中具有重要作用。
3. 稀土元素掺杂的荧光薄膜稀土元素掺杂的荧光薄膜被广泛应用于平板显示、荧光标识等领域。
荧光薄膜的发光性能决定了显示效果的清晰度和色彩鲜艳度。
赤兔石中掺杂钆离子的荧光薄膜，能够产生红、绿、蓝三原色的发光，被用于显示器的背光源。
稀土元素在光电转换材料中的应用稀土元素，这几个字听起来是不是有点神秘又高大上？其实啊，它们在咱们日常生活中的作用可大着呢，特别是在光电转换材料这个领域。
先来说说我身边的一件小事儿吧。
有一次，我去一个朋友家做客，他家的太阳能热水器出了点问题，水温一直上不来。
维修师傅来了之后，检查了半天，最后发现是其中一个关键的光电转换部件老化了。
师傅就说，如果这部件用了含稀土元素的材料，那寿命和效率都会高很多。
咱们言归正传，稀土元素到底是啥？简单来说，稀土元素就是一组特殊的化学元素，像镧、铈、镨、钕等等。
它们就像是材料世界里的“超级英雄”，有着独特的本领。
在光电转换材料中，稀土元素的应用那可是相当广泛。
比如说，在太阳能电池里，加入稀土元素可以大大提高电池的光电转换效率。
为啥呢？因为稀土元素能够增强对太阳光的吸收，就好像是一个超级吸尘器，把更多的光能“吸”进来，然后转化为电能。
再比如发光二极管，也就是咱们常说的 LED 灯。
稀土元素能让LED 灯发出的光更亮、更纯、更节能。
想象一下，晚上走在路灯下，如果那路灯里用了含稀土元素的光电转换材料，灯光柔和又明亮，照得路清清爽爽，咱们的心情是不是也会好很多？还有呢，在激光材料中，稀土元素也是不可或缺的。
它能让激光更强大、更稳定，应用在医疗、通信等领域，发挥着巨大的作用。
不过，要让稀土元素在光电转换材料中发挥出最大的作用，可不是一件容易的事儿。
这就好比做菜，稀土元素是珍贵的食材，但是要想做出美味佳肴，还得掌握好火候、配料和烹饪方法。
在实际应用中，科学家们需要不断地试验和改进，找到最合适的配方和工艺。
比如说，稀土元素的添加量就得精准控制。
加少了，效果不明显；加多了，反而可能会起到反作用。
这就需要科研人员像大厨一样，有着精准的手感和丰富的经验。
另外，稀土元素的分布均匀性也很重要。
如果不均匀，就像蛋糕里的糖没拌开，有的地方甜，有的地方不甜，会影响整个材料的性能。
总的来说，稀土元素在光电转换材料中的应用，就像是一场精彩的魔法表演。
稀土发光材料的发光机理及其应用学好：09021126 姓名：彭振华摘要：稀土是我国的重要战略资源，对稀土元素的基本物理和化学性质的了解，是深入研究稀土元素的结构与性能，开发稀土生产新的工艺流程、稀土元素新应用、稀土新材料，充分利用稀土资源的基础。
稀土发光材料在一些方面已得到普遍应用并在新能源和生物医学等方面具有重要的应用前景。
目前稀土材料已广泛用于照明、显示、信息、显像、医学放射学图像和辐射场的探测等领域，并形成很大的工业生产和消费市场规模；同时也正在向着其他新型技术领域扩展，成为人类生活中不可缺少的重要组成部分。
1、稀土发光材料的发光原理物质发光现象大致分为两类：一类是物质受热，产生热辐射而发光；另一类是物体受激发吸收能量而跃迁至激发态(非稳定态)在返回到基态的过程中，以光的形式放出能量。
以稀土化合物为基质和以稀土元素为激活剂的发光材料多属于后一类，即稀土荧光粉。
稀土元素原子具有丰富的电子能级，稀土化合物的发光是基于它们的4f电子在f-f组态之内或f-d组态之间的跃迁。
2、稀土发光材料的重要应用2.1光致发光材料灯用发光材料自70年代末实用化以来，促使稀土节能荧光灯、金属卤化物灯向大功率、小型化、低光衰、高光效、高显色、无污染、无频闪、实用化、智能化等方面发展。
这些发光灯主要被用于照明、复印机光源、光化学光源等由发射红、绿、蓝3种含稀土的荧光粉(即三基色荧光粉)按一定比例混合制成的节能灯。
由于其光效高于白炽灯数倍，光色也好，被长期用于办公室、百货商店和工厂中的照明中。
稀土发光材料的质量提高和应用技术的发展，推动了新一代节能光源的科研、生产及应用，并带动了许多相关行业的发展。
典型的荧光灯是在玻璃管内壁涂荧光粉，当灯通电时，封装在灯两端的电极间放电发出紫外光，荧光粉吸收紫外光受到激发，然后通过各种非辐射弛豫过程和能量传递过程，使稀土离子处于可发出可见光的能态上，从而进一步发出各种颜色的可见光。
①汞灯稀土荧光粉用于高压汞灯中已有多年。
稀土材料在光电转换中的应用稀土材料，这听起来是不是有点高大上，有点神秘莫测？但其实啊，它们在我们生活中的光电转换领域，那可是有着相当重要的作用！先给大家讲讲啥是光电转换吧。
简单来说，就是把光变成电，或者把电变成光。
比如说，太阳能电池板能把阳光变成电，这就是光电转换；而咱们家里的 LED 灯能把电变成光，这也是光电转换。
而稀土材料在这当中，就像是一位神奇的魔法师，发挥着独特的作用。
我记得有一次去参观一个科技展览，就看到了关于稀土材料在光电转换中的应用展示。
那场面，可真是让我大开眼界！展览现场摆放着各种各样的设备和模型，工作人员热情地给我们讲解。
其中有一个展示台，上面放着一块小小的太阳能电池板，和普通的电池板不太一样，它里面加入了稀土材料。
工作人员拿着一个强光灯照射它，旁边的电表指针瞬间就快速转动起来，显示出强大的电流输出。
当时我就惊讶得合不拢嘴，心想这稀土材料也太厉害了！咱们先来说说稀土材料在太阳能电池中的应用。
大家都知道，太阳能是一种非常环保和可再生的能源，但是传统的太阳能电池效率并不是特别高。
而稀土材料的加入，就像是给太阳能电池打了一针“强心剂”。
它能够提高电池对太阳光的吸收效率，让更多的光能转化为电能。
就好比一个大胃王，以前只能吃一点点食物，现在有了稀土材料的帮助，能大口大口地把光能都“吃”进去，转化为电能。
再说说在发光二极管（LED）中的应用。
LED 灯现在已经很常见了，节能又明亮。
稀土材料能让LED 灯发出的光更加鲜艳、纯净。
比如说，红色的 LED 灯，如果加入了适当的稀土材料，那发出的红色就会特别鲜艳，就像咱们过年挂的红灯笼一样红得喜庆。
还有在激光领域，稀土材料也是功不可没。
激光大家都听说过吧，能量集中，威力强大。
稀土材料能够让激光的性能更加优越，比如提高激光的强度和稳定性。
想象一下，如果没有稀土材料，那些酷炫的激光表演可能就不会那么精彩啦！在光电探测器方面，稀土材料也有出色的表现。
光电探测器就像是我们的眼睛，能够感知光的变化。
稀土上转换发光及其光电产品推荐目录一、什么是上转换发光？二、镧系掺杂稀土上转换发光的发光原理三、稀土上转换发光材料的应用四、相关光电产品推荐五、几个容易混淆的“上转换”概念一、什么是上转换发光？斯托克斯（Stokes）定律认为材料只能受到高能量的光激发，发射出低能量的光，即经波长短、频率高的光激发，材料发射出波长长、频率低的光。
而上转化发光则与之相反，上转换发光是指连续吸收两个或者多个光子，导致发射波长短于激发波长的发光类型，我们亦称之为反斯托克斯（Anti-Stokes）。
Figure 1.常规发光和上转换发光能级跃迁图Figure 2.样品被绿光激光激发之后产生荧光（左边样品为Stokes emission，右边样品为Anti-stokes emission）上转换发光在有机和无机材料中均有所体现，但其原理不同。
有机分子实现光子上转换的机理是能够通过三重态-三重态湮灭（Triplet-triplet annihilation，TTA），典型的有机分子是多环芳烃（PAHs）。
无机材料中，上转换发光主要发生在镧系掺杂稀土离子的化合物中，主要有NaYF4、NaGdF4、LiYF4、YF3、CaF2等氟化物或Gd2O3等氧化物的纳米晶体。
NaYF4是上转换发光材料中的典型基质材料，比如NaYF4:Er,Yb，即镱铒双掺时，Er做激活剂，Yb作为敏化剂。
本应用文章我们着重讲讲稀土掺杂上转换发光材料（Upconversion nanoparticles,UCNPs）。
二、镧系掺杂稀土上转换发光的发光原理无机材料有三个基本发光原理：激发态吸收(Excited-state absorption, ESA)，能量传递上转换(Energy transfer upconversion, ETU)和光子雪崩(Photon avalanche, PA)。
Figure 3.稀土上转换发光材料的发光原理(a)激发态吸收激发态吸收过程(ESA)是在1959年由Bloembergen等人提出，其原理是同一个离子从基态通过连续多光子吸收到达能量较高的激发态的过程，这是上转换发光最基本的发光过程。
如Figure 3(a)同一稀土离子从基态能级通过连续的双光子或者多光子吸收，跃迁到激发态能级，然后将能量以光辐射的形式释放会到基态能级的过程。
(b)能量传递上转换能量传递是指通过非辐射过程将两个能量相近的激发态离子通过非辐射耦合，其中一个把能量转移给另一个回到低能态，另一个离子接受能量而跃迁到更高的能态。
能量传递上转换可以发生在同种离子之间，也可以发生在不同的离子之间。
能量传递包含了连续能量传递（Successive Energy Transfer，SET）、合作上转换（Cooperative Upconversion，CU）和交叉弛豫（Cross Relaxation，CR）三类。
1(b1) SET(b2) CU(b3) CRFigure 4.能量传递上转换的三种类型(c)光子雪崩“光子雪崩”的上转换发光是1979年Chivian等人在研究Lacl3晶体中的Pr3+时首次发现的，由于它可以作为上转换激光器的激发机制而引起了人们的广泛关注。
该机制的基础是：一个能级上的粒子通过交叉弛豫在另一个能级上产生量子效率大于1 的抽运效果。
“光子雪崩”过程是激发态吸收和能量传递相结合的过程，只是能量传输发生在同种离子之间。
三、稀土上转换发光材料的应用上转换发光材料由于其短波激发长波发射的特性，再加上其寿命长、潜在生物毒性低、可制备成纳米颗粒的特点，具有非常丰富的应用前景，其在生物成像、荧光示踪、太阳能电池转换、上转换激光、防伪、3D成像等方面均有报道其应用，以下简单介绍几个典型应用：(a)生物成像上转换发光纳米材料(UCNPs)具有荧光寿命长、潜在生物毒性低、穿透深度大、对生物组织损伤小且几乎没有背景光等显著优点，近年来在生物成像及生物检测等领域已经得到广泛应用，下图未上转换纳米颗粒在生物活体中进行肿瘤标记。
Figure 5.上转换纳米材料在肿瘤靶向成像中的应用1(b)上转换激光器上转换光纤激光器实现了高转换效率、低激光阈值、体积小、结构简单的特点，现在上转换的蓝绿光激光器已经研制出来，但是上转换紫外激光器仍未取得很好的成果。
Figure 6.不同泵浦功率下Er-Yb共掺杂的回音壁式微腔上转换激射2(c)防伪技术红外上转换材料还可以制作成无色油墨材料，做成特征图案，例如印制成二维码或者含有隐藏信息的复杂背景图案，或者与其他防伪技术可以互相结合，可以大大增加防伪的力度。
Figure 7.上转换材料参与到多维防伪技术中(d)太阳能电池稀土上转换发光材料是一种可以吸收近红外光而发出不同波段可见光的复合多功能材料，将上转换发光材料引入染料敏化太阳能电池光阳极薄膜中可以间接的利用红外光，拓宽光谱吸收范围，提高太阳光的有效利用。
Figure 8.背面带有上转换层的太阳能电池原理图3Figure 9.上转换层在PMMA中的上转换发射谱以及吸收光谱3四、相关光电产品推荐(a)卓立汉光全新形态稳态-瞬态荧光光谱仪扩展配置推荐：OPO激光器微秒脉冲氙灯皮秒激光二极管/LED波长可调谐纳秒脉冲激光器，输出波长范围：200-2400nm；脉冲宽度5ns，重复频率：20Hz，峰值能量：9mJ@450nm，更高能量版本推荐：70mJ@450nm。
微妙脉冲氙灯，输出波长范围：190-2000nm，主要适用范围200-800nm，脉宽2.9μs，典型重复频率：60Hz，重频可调；LED：280nm、310nm、330nm、350nm等；脉宽：800ps；LD：375nm、405nm、450nm、488nm、530nm等；脉宽：100ps；近红外PMT(950-1700nm)近红外PMT(300-1700nm)InGaAs探测器TE制冷型近红外光电倍增管，响应范围：950-1700nm，制冷温度：-60℃。
液氮制冷型近红外光电倍增管，响应范围：300-1700nm，制冷温度：77K。
TE制冷型近红外InGaAs探测器，响应范围：800-1700nm/800-2600nm，制冷温度：-40℃。
低温制冷机2.3 – 500 K低温制冷机氦气连续流低温制冷机（湿系统），制冷技术：氦气或氮气，±0.1K；稀土上转换发光测试数据：为了开发荧光生物探针用于高对比度深层组织荧光成像，哈尔滨工业大学研究出基于NaYF4: Yb3+, Tm3+上转换纳米颗粒的单色800nm上转换发射，在980nm二极管激光器的激发下，通过调节800 nm上转换发射的单色性，获得了高对比度的荧光体成像。
该成果以题为《Monochromatic Near-Infrared to Near-Infrared Upconversion Nanoparticles for High-Contrast Fluorescence Imaging》发表在《Journal of Physical Chemistry C》上，曹文武教授、高红教授、张治国教授为文章的共同通讯作者。
文章中的荧光光谱测试数据采用卓立汉光早期SBP300系列光谱仪进行采集。
4Figure 10.荧光光谱数据：(a)NaYF4: Yb3+, Tm3+在980nm激光器激发下的上转换发光（Tm3+掺杂浓度4%）；(b) NaTm x Yb0.2Y0.8-x F4(x = 0.003, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04)的荧光光谱；(C) NaTm x Yb0.2Y0.8-x F4(x = 0.003, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04)在800nm和470nm下的发射强度比率；Figure 10(a)是NaYF4: 20%Yb3+, 4%Tm3+的上转换发射谱，只看到一个800nm下的发射峰，是高对比度深层组织荧光成像的理想情况。
Figure 10(b)通过调节Tm3+的掺杂浓度来研究此现象的物理机理，数据中通过对800nm的发射进行强度归一化之后，发现470nm的发射峰随着Tm3+的浓度增加，强度减弱。
在Figure 10(c)上可以看到I800/I470比值随着Tm3+掺杂浓度的增加，呈指数增长。
→2F7/2转移(980nm)(b)Photonics Science红外相机短波红外相机量子效率曲线图荧光成像：小鼠血管的可视化五、几个容易混淆的“上转换”概念光子上转换发光与双光子吸收和二次谐波不能混为一谈。
虽然他们两个物理过程都有相似的结果，即产生光子上转换，表现为发射的波长比激发的波长要短，但是其背后的机理是不一样的。
(a)双光子吸收Two-photon absorption (TPA)：产生原理：荧光分子吸收第一个光子后，跃迁到虚能级上，该能级仅能存在几飞秒，便自动返回基态，第二个光子必须在这几飞秒内与虚能级上的分子作用，从基态跃迁到激发态（下图左），能量较大的激发态分子，通过无辐射跃迁和荧光发射使自己回到最低电子激发态的最低振动能级（下图右）。
Figure 12.双光子吸收的过程（左图）及双光子荧光过程（右图）(b)二次谐波Second-harmonic generation (SHG, also called frequency doubling)：两个同样频率的光子与非线性材料相互作用之后，得到一个新的光子，其能量是初始能量的两倍。
Figure 13.二次谐波的能级图Figure 14.二次谐波产生过程示意图(c)飞秒荧光上转换技术（Femtosecond Fluorescence Up-conversion technique）：超快激光光谱的一个技术飞秒荧光上转换技术是使用空间转换时间的原理，通过光子上转换的技术将荧光信号和探测信号来产生新的频率的信号。
其基于荧光光学门控（Fluorescence Optical Gating）技术作为测量的基础，具有非常高的时间分辨率。
该时间分辨率仅仅依靠激发光和“闸门”光的脉冲宽度（通常为飞秒量级），而不依赖于探测器的响应时间，所以具有高测量精度。
通过精确控制并改变“闸门”光脉冲相对于激发光脉冲的延迟时间，可以非常准确地将飞秒到纳秒范围内的荧光寿命测量出来。
下方为飞秒荧光上转换装置原理图：飞秒激光其的激光脉冲经过分束片分成两束，一束激光脉冲用来激发样品发射荧光，并把荧光收集后汇聚到BBO（偏硼酸钡）晶体上，另一束光作为快门，门控光脉冲经过光学延迟线，也汇聚到BBO上。
然后记录样品受激发之后不同时刻荧光强度信息。
Figure 15.常规荧光上转换装置原理图5Figure 16.荧光上转换技术的基本原理5六、参考论文：1Chen, G., Qiu, H., Prasad, P. N. & Chen, X. Upconversion nanoparticles: design, nanochemistry, and applications in theranostics. Chem Rev114, 5161-5214, doi:10.1021/cr400425h (2014).2Yinlan Ruan, K. B., Hong Ji, Heike Ebendorff-Heidepriem, Jesper Munch, and Tanya M. Monro. in CLEO: 2013.JM2N.5, doi:10.1364/CLEO_SI.2013.JM2N.5 (2013).3van Sark, W. G., de Wild, J., Rath, J. K., Meijerink, A. & Schropp, R. E. I. Upconversion in solar cells.Nanoscale Research Letters8, 81, doi:10.1186/1556-276X-8-81 (2013).4Zhang, J.et al.Monochromatic Near-Infrared to Near-Infrared Upconversion Nanoparticles for High-Contrast Fluorescence Imaging. The Journal of Physical Chemistry C118, 2820-2825, doi:10.1021/jp410993a (2014).5Chosrowjan, H., Taniguchi, S. & Tanaka, F. Ultrafast fluorescence upconversion technique and its applications to proteins. FEBS J282, 3003-3015, doi:10.1111/febs.13180 (2015).。
