Opconversiematerialen verwijzen naar stoffen of verbindingen die het vermogen hebben om fotonen met lagere energie (meestal infrarood of nabij-infrarood) om te zetten in fotonen met hogere energie (zichtbaar of ultraviolet licht) via een niet-optisch lineair proces. Dit proces omvat het absorberen van twee of meer fotonen met lage energie en het uitzenden van een enkel foton met hogere energie. Upconversiematerialen bestaan vaak uit zeldzame aardionen die zijn gedoteerd in gastmaterialen zoals kristallen of nanodeeltjes, waarbij energieniveaus en elektronische overgangen efficiënte fotonenconversie mogelijk maken.
Top bypass wordt gebruikt voor diverse toepassingen op alle terreinen zoals optica, fotonica en biomedische wetenschappen. In de optica en fotonica worden opconversiematerialen gebruikt om infrarood licht om te zetten in zichtbaar licht, waardoor een grotere gevoeligheid mogelijk wordt van beeld- en detectiesystemen die in het nabij-infraroodspectrum werken. In biomedische toepassingen wordt opconversie gebruikt voor bioimaging, waarbij het diepere weefselpenetratie en verminderde autofluorescentie mogelijk maakt in vergelijking met conventionele fluorescentiebeeldvormingstechnieken. Opschaling vindt ook toepassing in fotovoltaïsche zonne-energie om de efficiëntie van zonnecellen te verbeteren door infraroodlicht te oogsten dat conventionele materialen niet kunnen absorberen.
Materialen die worden gebruikt bij de opwaardering van fotonen omvatten doorgaans zeldzame aardelementen zoals erbium (ER), ytterbium (YB) en thulium (TM), gedoteerd in gastheermatrices zoals yttriumoxide (Y2O3), yttriumnatriumfluoride (Nayf4) of enig ander materiaal. geschikte kristallijne of nanodeeltjesvormen. Deze materialen zijn gekozen vanwege hun vermogen om meerdere fotonen met lage energie te absorberen en efficiënt fotonen met hogere energie uit te zenden. Dopingconcentratie, kristalstructuur en excitatiegolflengte zijn kritische parameters die de positieve conversie-efficiëntie en spectrale kenmerken van deze materialen beïnvloeden.
Up-conversie en down-conversie verwijzen naar processen waarbij de frequentie (en dus de energie) van fotonen wordt verhoogd (up-conversie) of verlaagd (down-conversie). Bij opconversie worden fotonen met lage energie geabsorbeerd en gecombineerd om één enkel foton met hogere energie uit te zenden, meestal in het zichtbare of ultraviolette bereik. Dit proces is niet-lineair en vereist specifieke energieniveaus en overgangen in het materiaal. Lagere conversie daarentegen omvat het omzetten van fotonen met een hogere energie in producten met een lagere energie, vaak voor toepassingen zoals golflengteverschuivende materialen in fluorescentielampen of om ultraviolet licht om te zetten in licht dat zichtbaar is in fosformaterialen.
Upconversion-nanodeeltjes voor biosensoren zijn nanodeeltjes geïntegreerd met upconversion-materialen, specifiek ontworpen om biomoleculen in biologische monsters te detecteren en analyseren. Deze nanodeeltjes zetten infrarood of nabij-infrarood licht, dat effectiever in biologische weefsels doordringt dan zichtbaar licht, om in zichtbaar licht dat gemakkelijk kan worden gedetecteerd en geanalyseerd. Opconverterende nanodeeltjes bieden voordelen zoals verhoogde gevoeligheid, verminderde autofluorescentieachtergrond en de mogelijkheid om multiplexdetectie uit te voeren met behulp van verschillende emissiegolflengten uit één enkele bron. Ze worden gebruikt in verschillende biosensortoepassingen, waaronder de detectie van biomarkers, monitoring van medicijnafgifte en moleculaire beeldvorming in levende organismen.