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一般的发光现象都是吸收光子的能量高于发射光子的能量，即发光材料吸收高能量的短波辐射，发射出低能量的长波辐射，服从Stokes规则。然而，还有一种发光现象恰恰相反：激发波长大于发射波长，这称为反Stokes效应或上转换现象。上转换现象最初发现于20世纪40年代，有关稀土离子的上转换研究开始于50年代初，迄今为止，上转换发光材料绝大多数都是掺杂稀土离子的化合物，这是稀土的另一种发光本领，利用它们的能级特性，可以吸收多个低能量的长波辐射，经多光子加和后发出高能量的短波辐射。
上转换材料（upconversion materials）是一种红外线激发下能发出可见光的发光材料，即将红外线转换成可见光的材料。其特点是所吸收的光子能量低于发射的光子能量，这种现象违背Stokes定律，因此又称为反Stokes定律发光材料。
上转换材料的发光机理是基于双光子或多光子过程。发光中心相继吸收两个或多个光子，再经过无辐射弛豫达到发光能级，由此跃迁到基态放出一可见光子。为了有效实现双光子或多光子效应，发光中心的亚稳态需要有较长的能级寿命。稀土离子能级之间的跃迁属于禁戒的f-f跃迁，因此有长的寿命，符合此条件。迄今为止，所有上转换材料只限于稀土化合物。
能级C和B之间能量差与能级B和A之间的能量差相等。若某一辐射的能量与上述能量差一致，则会产生激发，离子会从A激发到B。如果能级B的寿命不是太短，则激发辐射将进一步将该离子从B激发到C。最后就发生了从 C 到A的发射。如果我们假定B-A和C-B之间的能量差为 10000 cm-1（对应于红外激发），那么所产生的上转换发射的能量为20000 cm-1，即在绿色光波段范围。这确实是反Stokes发射。很清楚，通过这种方式，我们将能够直观地检测出人眼看不见的红外辐射，可作为红外线的显示材料、红外量子计数器或发光二极管等。
上述介绍的是一种最为简单的、理想化的情况，实际上，存在着多种类型的上转换过程，只是它们各自的转换效率差别很大，在一个非常宽的范围内变化。从左到右，对上述各图所表示的过程说明如下。
①能量传递机理。有时称作APTE作用。在这里，离子A连续不断地将它们的激发能量传递给离子B，从而能从一个较高能级产生发射。
②两步吸收机理。该吸收仅由B一个离子来完成。
③协同敏化机理。两个A离子同时将它们的激发能量传递给C离子，在A的激发能级位置上C没有能级。最后，由C的激发能级产生发射。
④光机理。将两个A离子的激发能量结合，形成一个产生发射的光量子（应当注意，此处没有真正发射能级）。
⑤二阶谐波（倍频）机理。辐射光频率被加倍（没有发生任何吸收跃迁）。
⑥双光子吸收激发机理。在完全不借用任何中间能级的情况下，双光子同时被吸收。然后一个光子从其激发能级产生发射。
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