与传统典型的荧光发光过程《只涉及一个基态和一个激发态)不同。上转换过程需要许多中间态来累积低频的激发光子的能量。其中主要有三种发光机制:激发态吸收、能量转换过程、光子雪崩。这些过程均是通过掺杂在晶体颗粒中的激活离子能级连续吸收一个或多个光子来实现的，而那些具有f 电子和d 电子的激活离子因具有大量的亚稳能级而被用来上转换发光。然而高效率的上转换过程，只能靠掺杂三价稀土离子实现，因其有较长的亚稳能级寿命。稀土离子的吸收和发射光谱主要来自内层4f 电子的跃迁。在外围 5s 和5p 的电子的屏蔽下其 4f 电子几乎不与基质发生相互作用，因此掺杂的稀土离子的吸收和发射光谱与其自由离子相似，显示出极尖锐的峰(半峰宽约 10-20nm)。而这同时就对外部激发光源的波长有了很大的限制。激光荧光光谱技术用于化学检测领域具有信噪比高、灵敏度好、检测快速等优点特别是对于上转换材料的发光检测。商业化的 980nm 激光光源系统恰巧与它的吸收相匹配。为上转换纳米材料提供了理想的激光激发光源。