Yukarı dönüşüm, tipik olarak kızılötesi veya yakın kızılötesi spektrumdaki düşük enerjili fotonları, görünür veya ultraviyole ışık gibi daha yüksek enerjili fotonlara dönüştürme yeteneği nedeniyle çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılır. Ölçeklendirmenin ana kullanımlarından biri biyomedikal görüntüleme ve algılama uygulamalarıdır. Yukarı dönüşüm, derinlemesine nüfuz eden yakın kızılötesi ışığı görünür ışığa dönüştürerek biyolojik dokularda gelişmiş görüntüleme derinliği ve çözünürlüğü sağlar. Bu yetenek, yüksek hassasiyet ve uzaysal çözünürlüğün gerekli olduğu, invaziv olmayan görüntüleme teknikleri, teşhisler ve hedefe yönelik tedaviler için çok önemlidir. Ek olarak, telekomünikasyonda, fotovoltaikte ve çevresel izlemede verimli ışık hasadı ve veri iletimi için yükseltme kullanılır.
Yükseltmenin avantajları, dokulara ve malzemelere görünür ışıktan daha etkili bir şekilde nüfuz edebilen kızılötesi ışığı kullanma ve onu kolayca tespit edilebilir daha yüksek enerjili fotonlara dönüştürme yeteneğinde yatmaktadır. Bu işlem, görüntüleme ve algılama uygulamalarında hassasiyeti artırır ve arka plan gürültüsünü azaltır. Yukarı dönüşüm malzemeleri ayrıca yüksek fotostabilite sergileyerek floresans yoğunluğunda önemli bir bozulma olmadan uzun süreli çalışmaya olanak tanır. Ek olarak, pozitif dönüşüm, malzemelerin emisyon dalga boylarını ayarlayarak çoklu tespite olanak tanır ve biyolojik numunelerde birden fazla hedefin veya biyobelirtecin aynı anda tespit edilmesini sağlar.
Çapraz dönüşüm ile aşağı dönüşüm arasındaki temel fark, foton enerjisi dönüşümünün yönündedir. Yukarı dönüşüm, düşük enerjili fotonların (örneğin kızılötesi) daha yüksek enerjili fotonlara (örneğin görünür veya ultraviyole) doğrusal olmayan bir optik işlem yoluyla dönüştürülmesini içerir. Bu işlem tipik olarak malzemede birkaç foton absorpsiyonu ve enerji transferi adımı gerektirir. Buna karşılık, daha düşük dönüşüm, yüksek enerjili fotonları daha düşük enerjili fotonlara dönüştürür; örneğin, fosfor malzemelerindeki ultraviyole ışığın görünür ışığa dönüştürülmesi veya ekranlarda ve aydınlatmada kullanılan floresan boyalar. Aşağı dönüşüm işlemleri, yayılan ışığın emilen uyarı ışığından daha düşük enerjiye sahip olduğu floresans bazlı analizlerde ve görüntüleme tekniklerinde de kullanılır.
Floresan yukarı dönüştürme, kızılötesi ışığı görünür veya ultraviyole ışığa dönüştürmek için yukarı dönüştürme malzemelerinin kullanıldığı ve daha sonra floresans bazlı tespit yöntemleri kullanılarak tespit edilen spesifik bir tekniği ifade eder. Bu teknikte, nanopartiküller veya yukarı dönüşüm malzemeleri iki veya daha fazla düşük enerjili fotonu (örneğin yakın kızılötesi) emer ve floresans özelliklerine sahip daha yüksek enerjili (örneğin görünür veya ultraviyole) tek bir foton yayar. Bu, derin doku penetrasyonunun ve yüksek uzaysal çözünürlüğün gerekli olduğu biyolojik ve tıbbi uygulamalarda hassas algılama ve görüntülemeye olanak sağlar. Floresan pozitif dönüşümü, geleneksel floresan görüntüleme teknikleriyle karşılaştırıldığında otofloresansı ve arka planı azaltma açısından avantajlıdır.
Foton pozitif dönüşüm süreci, üst dönüşüm malzemelerinde birkaç adım içerir. Başlangıçta, yukarı dönüşüm malzemesi birkaç düşük enerjili fotonu aynı anda veya sırayla emerek, malzemenin enerji bandı yapısındaki elektronları daha yüksek enerji durumlarına heyecanlandırır. Bu uyarılmış elektronlar daha sonra soğurulan fotonlardan daha yüksek enerjiye sahip tek bir foton yaymadan önce orta enerji seviyelerine ulaşmak için ışınımsız gevşeme süreçlerinden geçerler. Bu emisyon süreci tipik olarak malzeme bileşimi ve enerji seviyelerine göre belirlenen belirli dalga boylarında floresans veya fosforesans emisyonuyla sonuçlanır. Foton dönüşüm süreçleri doğrusal değildir ve verimli dönüşüm ve emisyon elde etmek için foton enerjileri ile malzeme bant aralıkları arasındaki hassas enerji eşleşmesine bağlıdır.