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(3) 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藕合，其中一个离子把能量转移给另一个离子回到低能态，另一个离子接受能量而跃迁到更高能态[12]。能量传递上转换可发生在同种离子之间，也可发生在不同离子之间。因此，能量传递上转换可分为两类：
(a) 连续能量传递
处于激发态的施主离子，通过无辐射跃迁返回基态，将能量传递给受主离子，从而使其跃迁到激发态，处于激发态的受主离子，还可以通过此能量传递跃迁到更高能级，从而跃迁至基态时发射出更高能量的光子。
(b) 交叉弛豫
交叉弛豫可以发生在相同的离子之间，也可以发生在不同的离子之间。位于激发态的两个离子，其中一个离子通过无辐射弛豫至能量较低的能级，同时将能量传递给另外一个离子，使其跃迁至更高能级，跃迁至基态时发射出一个更高能量N的光子。
(4) 光子雪崩
“光子雪崩”的上转换发光，是在1979年Chivian等人，在研究Pr3+:Lacl3材料的时候，首次发现的，因为它可以用作上转换激光器的激发机制而引起人们的广泛关注。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[13]。“光子雪崩”过程是激发态吸收与能量传递相结合的过程，只是能量传输发生在相同种离子之间。E0，E1和E2分别为基态与中间亚稳态，E为发射光子高能态。泵浦光能量对应于E1-E的能级差。虽然激发光同基态吸收不共振，但是总有少量的基态电子被激发到E与E2之间，然后弛豫到E2上。E2电子与其它离子的基态电子发生能量传输Ⅰ，产生2个E1电子。一个E1再吸收1个N1后，激发到E能级，E能级电子又和其他离子的基态电子相作用，发生能量传输Ⅱ，则产生3个E1电子。如此循环，E能级的电子数量，就会像雪崩一样急剧的增加。当E能级电子向基态跃迁时，就会发出N光子，此过程称为上转换的“光子雪崩”过程[14]。
1.2 稀土发光材料性能及应用
在众多的稀土功能材料里，稀土发光材料的应用是最引人注目的。稀土元素的发光性能主要是因为其失去3个电子后的三价阳离子(Ln3+)的4f电子，在不同能级之间的跃迁而产生的。现如今已查明的三价稀土离子的4f组态里有1639个能级，能级间可能存在的跃迁数目竟高达199177个[16]。在f组态内不同能级之间的跃迁称作f- f跃迁，在f和d组态之间的跃迁称作f-d跃迁。
因为稀土元素特殊的4f电子层结构，和其它元素相比，稀土发光材料拥有多种荧光特性：4f电子处在内层轨道，受到了外层轨道的有效屏蔽，不易受到外部环境干扰，因此稳定性较高；4f能级差极小，所以f- f跃迁呈现出了尖锐的线状光谱，发光的色纯度较高；稀土离子的发光的荧光寿命跨度较大，跨越纳秒到毫秒6个数量级；稀土元素吸收激发能量的能力强，转换效率较高；稀土的物理化学性质比较稳定，对于大功率的电子束、高能辐射与强紫外光的承受能力强。当稀土离子吸收光子能量后，4f电子可从低能级跃迁到高能级，当4f电子从高能级以辐射跃迁到低能级时将发出不同波长的光，两个能级间的能量差越大，发射光的波长就会越短[15]。
稀土发光材料目前已广泛应用在固体激光器、三文立体显示器、光电通讯、太阳能电池、生物荧光标识等领域，是21世纪含各种平板显示器的信息显示、人类医疗健康、照明光源、离子探测和记录、光电子器件及农业、军事等领域里的支撑材料[16]。我国的稀土资源占世界稀土资源的80%，居世界首位，稀土工业已是我国重要的化工产业之一，因此对稀土发光材料的研究将有助于我国稀土资源的开发与应用，具有潜在的经济与社会效益。
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