（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³

Figure 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：

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。4

Figure 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） NaTmxYb0．2Y0.8-xF4（x = 0.003，0.01，0.02，0.03，0.04）的荧光光谱；（C） NaTmxYb0．2Y0．8－xF4（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。

Figure 11． 荧光衰减曲线：NaYF4：20％Yb3＋，0．3％Tm3＋材料Tm3＋的1G4→3H6转移（470nm）和Yb3＋的2F5/2→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⁵

Figure 16．荧光上转换技术的基本原理⁵

六、参考论文：

1、Chen，G．，Qiu，H．，Prasad，P．N．＆Chen，X．Upconversion nanoparticles：design，nanochemistry，and applications in the ranostics．ChemRev114，5161-5214，doi：10．1021/cr400425h（2014）．

2、YinlanRuan，K．B．，HongJi，Heike Ebendorff-Heidepriem，Jesper Munch，andTanyaM．Monro．inCLEO：2013．JM2N．5，doi：10．1364/CLEO_-SI．2013．JM2N．5（2013）．

3、vanSark，W．G．，deWild，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）．

4、Zhang，J．etal．Monochromatic Near－Infraredto Near-Infrared Upconversion Nanoparticlesfor High-Contrast Fluorescence Imaging．The Journal of Physical ChemistryC118，2820-2825，doi：10．1021/jp410993a（2014）．

5、Chosrowjan，H．，Taniguchi，S．＆Tanaka，F．Ultrafast fluorescence upconversion technique and itsapplications to proteins．FEBSJ282，3003-3015，doi：10．1111/febs．13180（2015）．