Die Aufwärtskonvertierung wird in verschiedenen Bereichen häufig eingesetzt, da sie Photonen mit niedriger Energie, typischerweise im Infrarot- oder Nahinfrarotspektrum, in Photonen mit höherer Energie wie sichtbarem oder ultraviolettem Licht umwandeln kann. Eine der Hauptanwendungen der Hochskalierung sind biomedizinische Bildgebungs- und Sensoranwendungen. Durch die Umwandlung von tief eindringendem Nahinfrarotlicht in sichtbares Licht ermöglicht die Aufwärtskonvertierung eine verbesserte Bildtiefe und Auflösung in biologischen Geweben. Diese Fähigkeit ist von entscheidender Bedeutung für nicht-invasive Bildgebungstechniken, Diagnostik und gezielte Therapien, bei denen hohe Empfindlichkeit und räumliche Auflösung erforderlich sind. Darüber hinaus wird Upscaling in der Telekommunikation, Photovoltaik und Umweltüberwachung zur effizienten Lichtgewinnung und Datenübertragung eingesetzt.
Die Vorteile der Hochskalierung liegen in der Fähigkeit, Infrarotlicht zu nutzen, das Gewebe und Materialien effektiver durchdringen kann als sichtbares Licht, und es in leicht erkennbare Photonen mit höherer Energie umzuwandeln. Dieser Prozess verbessert die Empfindlichkeit und reduziert Hintergrundrauschen bei Bildgebungs- und Sensoranwendungen. Upconversion-Materialien weisen außerdem eine hohe Photostabilität auf, was einen längeren Betrieb ohne wesentliche Verschlechterung der Fluoreszenzintensität ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht die positive Konvertierung eine Multiplex-Detektion durch Abstimmung der Emissionswellenlängen von Materialien und ermöglicht so die gleichzeitige Erkennung mehrerer Ziele oder Biomarker in biologischen Proben.
Der Hauptunterschied zwischen Kreuzkonvertierung und Abwärtskonvertierung besteht in der Richtung der Photonenenergieumwandlung. Bei der Hochkonvertierung werden Photonen niedrigerer Energie (z. B. Infrarot) durch einen nichtlinearen optischen Prozess in Photonen höherer Energie (z. B. sichtbares oder ultraviolettes) umgewandelt. Dieser Prozess erfordert typischerweise mehrere Photonenabsorptions- und Energieübertragungsschritte im Material. Im Gegensatz dazu wandelt eine geringere Umwandlung Photonen mit höherer Energie in Photonen mit niedrigerer Energie um, beispielsweise durch die Umwandlung von ultraviolettem Licht in sichtbares Licht in Leuchtstoffmaterialien oder fluoreszierenden Farbstoffen, die in Displays und Beleuchtung verwendet werden. Down-Conversion-Prozesse werden auch in fluoreszenzbasierten Assays und bildgebenden Verfahren eingesetzt, bei denen das emittierte Licht eine niedrigere Energie hat als das absorbierte Anregungslicht.
Unter Fluoreszenz-Upconversion versteht man eine spezielle Technik, bei der Upconversion-Materialien verwendet werden, um Infrarotlicht in sichtbares oder ultraviolettes Licht umzuwandeln, das dann mit fluoreszenzbasierten Detektionsmethoden nachgewiesen wird. Bei dieser Technik absorbieren Nanopartikel oder Aufwärtskonvertierungsmaterialien zwei oder mehr Photonen niedrigerer Energie (z. B. nahes Infrarot) und emittieren ein einzelnes Photon höherer Energie (z. B. sichtbar oder ultraviolett) mit Fluoreszenzeigenschaften. Dies ermöglicht eine empfindliche Erfassung und Bildgebung in biologischen und medizinischen Anwendungen, bei denen eine tiefe Gewebedurchdringung und eine hohe räumliche Auflösung erforderlich sind. Die positive Fluoreszenzkonvertierung ist im Vergleich zu herkömmlichen Fluoreszenzbildgebungstechniken vorteilhaft für die Reduzierung von Autofluoreszenz und Hintergrund.
Der photonenpositive Konvertierungsprozess umfasst mehrere Schritte in Upconversion-Materialien. Zunächst absorbiert das Upconversion-Material mehrere Photonen niedrigerer Energie gleichzeitig oder nacheinander und regt Elektronen in Zustände höherer Energie in der Energiebandstruktur des Materials an. Diese angeregten Elektronen durchlaufen dann strahlungslose Entspannungsprozesse, um mittlere Energieniveaus zu erreichen, bevor sie ein einzelnes Photon mit höherer Energie als die absorbierten Photonen emittieren. Dieser Emissionsprozess führt typischerweise zu einer Fluoreszenz- oder Phosphoreszenzemission bei bestimmten Wellenlängen, die durch die Materialzusammensetzung und die Energieniveaus bestimmt werden. Photonenumwandlungsprozesse sind nichtlinear und hängen von einer präzisen Energieanpassung zwischen Photonenenergien und Materialbandlücken ab, um eine effiziente Umwandlung und Emission zu erreichen.