上转换荧光由N.布洛姆伯根在1959年提出，1966年由F.奥泽尔^[注]首次观察到。其原理是光子在某一亚稳态有较长寿命，在吸收下一个光子之前不发生弛豫，这样经过多个中间态来累积低频激发光子的能量，产生高频发光。具有上转换荧光性能的材料通常包含d区和f区元素的离子，如Ti²⁺、Ni²⁺、Mo³⁺、Re⁴⁺和Os⁴⁺。上转换荧光的三大类基本机制是能量传递上转换（energy transfer up-conversion; ETU）、激发态吸收（excited state absorption; ESA）和光子雪崩（photon avalanche; PA）。尽管上转换、双光子吸收和二次谐波吸收均采用低能量红外光激发获得高能量可见光的过程，但它们在机制上有很大区别。

高质量纳米晶体合成方面的巨大进展推动了一些新的上转换途径的发现，如铽介导的界面能量转移。热上转换机制则基于能量较低的光子从上转换器中吸收能量，再释放能量较高的光子。上转换发光效率最高的材料是稀土掺杂材料，如掺Er或Yb的NaYF₄（写作NaYF₄∶Er,Yb）。其他常见的上转换材料还包括和半导体量子点等。因为背景较小，穿透较深，其在分析检测和生物活体成像方面有着重要的应用前景。