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• 稀土上轉換發光材料的應用

上轉換發光材料由于其短波激發長波發射的特性，再加上其壽命長、潛在生物毒性低、可制備成納米顆粒的特點，具有非常豐富的應用前景，其在生物成像、熒光示蹤、太陽能電池轉換、上轉換激光、防偽、3D成像等方面均有報道其應用，以下簡單介紹幾個典型應用：

• 生物成像

上轉換發光納米材料(UCNPs)具有熒光壽命長、潛在生物毒性低、穿透深度大、對生物組織損傷小且幾乎沒有背景光等顯著優點，近年來在生物成像及生物檢測等領域已經得到廣泛應用，下圖未上轉換納米顆粒在生物活體中進行腫瘤標記。

Figure 5.上轉換納米材料在腫瘤靶向成像中的應用¹

• 上轉換激光器

上轉換光纖激光器實現了高轉換效率、低激光閾值、體積小、結構簡單的特點，現在上轉換的藍綠光激光器已經研制出來，但是上轉換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共摻雜的回音壁式微腔上轉換激射²

• 防偽技術

紅外上轉換材料還可以制作成無色油墨材料，做成特征圖案，例如印制成二維碼或者含有隱藏信息的復雜背景圖案，或者與其他防偽技術可以互相結合，可以大大增加防偽的力度。

Figure 7.上轉換材料參與到多維防偽技術中

• 太陽能電池

稀土上轉換發光材料是一種可以吸收近紅外光而發出不同波段可見光的復合多功能材料，將上轉換發光材料引入染料敏化太陽能電池光陽極薄膜中可以間接的利用紅外光，拓寬光譜吸收范圍，提高太陽光的有效利用。

Figure 8.背面帶有上轉換層的太陽能電池原理圖³

Figure 9.上轉換層在PMMA中的上轉換發射譜以及吸收光譜³

• 幾個容易混淆的“上轉換”概念

光子上轉換發光與雙光子吸收和二次諧波不能混為一談。雖然他們兩個物理過程都有相似的結果，即產生光子上轉換，表現為發射的波長比激發的波長要短，但是其背后的機理是不一樣的。

• 雙光子吸收Two-photon absorption (TPA)：

產生原理：熒光分子吸收一第個光子后，躍遷到虛能級上，該能級僅能存在幾飛秒，便自動返回基態，第二個光子必須在這幾飛秒內與虛能級上的分子作用，從基態躍遷到激發態（下圖左），能量較大的激發態分子，通過無輻射躍遷和熒光發射使自己回到低電子激發態的低振動能級（下圖右）。

Figure 10.雙光子吸收的過程（左圖）及雙光子熒光過程（右圖）

• 二次諧波Second-harmonic generation (SHG, also called frequency doubling)：

兩個同樣頻率的光子與非線性材料相互作用之后，得到一個新的光子，其能量是初始能量的兩倍。

Figure 11.二次諧波的能級圖

Figure 12.二次諧波產生過程示意圖

• 飛秒熒光上轉換技術（Femtosecond Fluorescence Up-conversion technique）：超快激光光譜的一個技術

飛秒熒光上轉換技術是使用空間轉換時間的原理，通過光子上轉換的技術將熒光信號和探測信號來產生新的頻率的信號。

其基于熒光光學門控（Fluorescence Optical Gating）技術作為測量的基礎，具有非常高的時間分辨率。該時間分辨率僅僅依靠激發光和“閘門”光的脈沖寬度（通常為飛秒量級），而不依賴于探測器的響應時間，所以具有高測量精度。通過精確控制并改變“閘門”光脈沖相對于激發光脈沖的延遲時間，可以非常準確地將飛秒到納秒范圍內的熒光壽命測量出來。

下方為飛秒熒光上轉換裝置原理圖：飛秒激光其的激光脈沖經過分束片分成兩束，一束激光脈沖用來激發樣品發射熒光，并把熒光收集后匯聚到BBO（偏硼酸鋇）晶體上，另一束光作為快門，門控光脈沖經過光學延遲線，也匯聚到BBO上。然后記錄樣品受激發之后不同時刻熒光強度信息。

Figure 13.常規熒光上轉換裝置原理圖⁴

Figure 14.熒光上轉換技術的基本原理⁴

• 參考論文：

1 Chen, G., Qiu, H., Prasad, P. N. & Chen, X. Upconversion nanoparticles: design, nanochemistry, and applications in theranostics. Chem Rev 114, 5161-5214, doi:10.1021/cr400425h (2014).

2 Yinlan 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).

3 van Sark, W. G., de Wild, J., Rath, J. K., Meijerink, A. & Schropp, R. E. I. Upconversion in solar cells. Nanoscale Research Letters 8, 81, doi:10.1186/1556-276X-8-81 (2013).

4 Chosrowjan, H., Taniguchi, S. & Tanaka, F. Ultrafast fluorescence upconversion technique and its applications to proteins. FEBS J 282, 3003-3015, doi:10.1111/febs.13180 (2015).