การแปลงความถี่ฟลูออเรสเซนซ์ขึ้น ( Fluorescence upconversionหรือ FU) เป็น เทคนิค สเปกโทรสโกปีเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษเป็นรูปแบบหนึ่งของการสร้างความถี่รวม (ซึ่งการสร้างฮาร์มอนิกที่สอง (Second-harmonic generationหรือ SHG) เป็นกรณีพิเศษ) แต่ประยุกต์ใช้ในการตรวจจับฟลู ออเร สเซนซ์ ที่ไม่สอดคล้องกัน ดังนั้นจึงมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับ เทคนิค Optical Kerr Gating (OKG) FU ได้กลายเป็นเครื่องมือที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาเคมีระดับเฟมโต (Femtochemistry ) ซึ่งเป็นการศึกษาปฏิกิริยาเคมีในช่วงเวลาสั้นมาก

การแปลงฟลูออเรสเซนซ์ขึ้น (Fluorescence upconversion) ไม่ควรสับสนกับการแปลงโฟตอนขึ้น (Photon upconversion ) ซึ่งบางครั้งเรียกว่าฟลูออเรสเซนซ์แบบแปลงขึ้น (upconversion fluorescence)

การแปลงความถี่ฟลูออเรสเซนซ์ (FU) เป็น เทคนิค สเปกโทรสโกปีแบบเวลาละเอียดซึ่งอาศัยการใช้พัลส์เลเซอร์แบบสั้นมาก โดยทั่วไปจะมีความยาวประมาณหนึ่งร้อยเฟมโตวินาทีหรือน้อยกว่านั้น เป็นเทคนิคแบบปั๊ม-โพรบ โดยพัลส์ทั้งสองจะแยกจากกันตามเวลาด้วยการหน่วงเวลาที่ควบคุมได้ คุณลักษณะที่โดดเด่นที่สุดของ FU คือความละเอียดของเวลาถูกจำกัดด้วยระยะเวลาของพัลส์เลเซอร์เท่านั้น ซึ่งในปัจจุบันสามารถน้อยกว่า 100 เฟมโตวินาทีได้อย่างง่ายดาย บทความวิจารณ์ทางเทคนิคในยุคแรกสองฉบับที่เขียนโดยJagdeep ShahและPaul Barbaraตามลำดับ ได้อธิบายเทคนิค FU อย่างละเอียด^{[ 1 ] [ 2 ]}บทความวิจารณ์ล่าสุดบางฉบับให้ข้อมูลเพิ่มเติม^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

โดยสรุป พัลส์ปั๊มที่ค่อนข้างแรงจะกระตุ้นตัวอย่าง ทำให้เกิดการเรืองแสง (ที่ความถี่ ν ) ซึ่งจะถูกรวบรวมและโฟกัสในผลึกแสงแบบไม่เชิงเส้นในขณะเดียวกัน พัลส์โพรบที่เข้มข้น (เรียกอีกอย่างว่าพัลส์เกต ที่ความถี่ ν ) จะถูกโฟกัสและซ้อนทับกับการเรืองแสงในผลึก ปฏิสัมพันธ์ทันทีของการเรืองแสงและพัลส์โพรบในผลึกทำให้เกิดแสงที่มีความถี่รวมที่ความถี่ ν = ν + ν (โดยที่ ν คือความถี่) ^{[ 1 ]}สิ่งสำคัญคือพัลส์การเรืองแสงและพัลส์โพรบต้องมาถึงผลึกพร้อมกัน (หรือเกือบพร้อมกัน) เพื่อจุดประสงค์นี้ พัลส์โพรบจะถูกส่งผ่าน ขั้นตอนหน่วงเวลาทางแสง ที่ควบคุม ได้

กล่าวโดยง่าย พัลส์โพรบ (เกต) แสดงถึง "หน้าต่างเวลา" ในระหว่างที่ตรวจจับการเรืองแสง ข้อดีที่สำคัญของเทคนิคนี้คือ ความเข้มของสัญญาณที่ตรวจจับได้ (แสงความถี่รวม) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มของการเรืองแสง^{[ 6 ]}เนื่องจากแสงความถี่รวมปรากฏที่ความยาวคลื่นสั้นกว่าการเรืองแสง จึงสามารถใช้โมโนโครมาเตอร์หรือตัวกรองแสงเพื่อระงับทั้งการเรืองแสงและแสงเลเซอร์ที่กระจาย ทำให้ได้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูงเมื่อตรวจจับ เช่น โดยโฟโตมัลติพลายเออร์^{[ 1 ]}

การสาธิตเทคนิค FU ครั้งแรกได้รับการรายงานโดย Mahr และ Hirsch ในปี 1975 ^{[ 7 ]}พวกเขาใช้ FU เพื่อเปรียบเทียบโปรไฟล์เวลาของพัลส์เลเซอร์สีเขียวที่สร้างขึ้นโดยเลเซอร์อาร์กอนแบบล็อกโหมดกับพัลส์เลเซอร์สีแดงที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์ย้อมสีโรดามีน 6G ในกรณีหลัง พวกเขาพบองค์ประกอบที่มีอายุยืนยาวกว่ามาก (หลายนาโนวินาที) ซึ่งกำหนดให้เป็นการปล่อยแสงแบบธรรมชาติ (ฟลูออเรสเซนซ์) ไม่นานหลังจากนั้น Hirsch และเพื่อนร่วมงานได้ใช้เทคนิค FU เพื่อศึกษาเคมีแสงของแบคทีริโอโรดอปซิน^{[ 8 ]}พวกเขาวัดอายุการปล่อยแสงของแบคทีริโอโรดอปซินที่อุณหภูมิทางสรีรวิทยาได้ 15 +/- 3 ps

หนึ่งในแอปพลิเคชันแรกๆ ของ FU ที่มีความละเอียดเวลาต่ำกว่าพิโควินาที คือการศึกษาผลกระทบของตัวทำละลาย แบบไดนามิก หัวข้อนี้โดยทั่วไปเรียกว่าพลวัตการละลาย (solvation dynamics ) กล่าวโดยย่อ พลวัตการละลายสามารถศึกษาได้โดยการติดตามวิวัฒนาการของสเปกตรัมการเรืองแสงของโมเลกุลโพรบเรืองแสง "เฉื่อย" ในสารละลาย ซึ่งจะให้ค่าการเลื่อนสโตกส์ของการเรืองแสงแบบขึ้นอยู่กับเวลา (Time-Dependent Fluorescence Stokes Shift : TDFSS)

Hallidy และ Topp เป็นกลุ่มแรกที่ศึกษาพลวัตการละลายโดยใช้ FU พวกเขาระบุลักษณะการพึ่งพาอุณหภูมิของการเปลี่ยนแปลงสเปกตรัมการเรืองแสงในแง่ของกระบวนการผ่อนคลายอิสระสองกระบวนการ ได้แก่ พลวัตการละลายและการดับการเรืองแสงที่ได้รับความช่วยเหลือจากตัวทำละลาย^{[ 9 ]}

Graham Flemingและเพื่อนร่วมงานยังได้ศึกษาพลวัตการละลายในตัวทำละลายที่มีความหนืดต่ำที่อุณหภูมิห้องต่างๆ โดยใช้ FU พวกเขาแยกแยะกระบวนการละลายต่างๆ ตั้งแต่กระบวนการแพร่กระจายระยะไกลที่ช้ากว่า ไปจนถึงผลกระทบเฉื่อยที่รวดเร็วมากในเปลือกการละลายชั้นแรก^{[ 10 ] [ 11 ]}

แหล่งกำเนิดที่เป็นไปได้อีกประการหนึ่งของการเปลี่ยนแปลงสโตกส์ ที่สังเกตได้ ในโมเลกุลหลายอะตอมคือการผ่อนคลายการสั่นสะเทือนภายในโมเลกุลซึ่งมีลักษณะเฉพาะโดยใช้ FU โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยกลุ่มของWolfgang Kaiser ^{[ 6 ] [ 12 ]}

กลุ่มของPaul Barbaraใช้ FU เพื่อศึกษาไม่เพียงแต่พลวัตการละลายและ การผ่อนคลายการสั่นสะเทือน เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการถ่ายโอนโปรตอนภายในโมเลกุลในสถานะกระตุ้นในโมเลกุลอินทรีย์ต่างๆ อีก ด้วย ^{[ 13 ]}

ปัจจุบัน จำนวนบทความที่ใช้คำว่า FU ซึ่งพบใน Web of Science (สิงหาคม 2025) มีมากกว่า 1200 บทความ แต่ตัวเลขนี้ยังต่ำกว่าความเป็นจริงอย่างแน่นอน

การประยุกต์ใช้การแปลงความถี่ฟลูออเรสเซนซ์ที่ตรงไปตรงมาที่สุดคือการสแกนความล่าช้าทางแสง (ดูด้านบน) ระหว่างฟลูออเรสเซนซ์ (เช่น พัลส์กระตุ้น) และพัลส์เกตติ้ง สำหรับการตั้งค่าคงที่ของผลึก ฯลฯ วิธีนี้จะให้ร่องรอยการเปลี่ยนแปลงความเข้มของฟลูออเรสเซนซ์ที่ความยาวคลื่นที่กำหนด อย่างไรก็ตาม การติดตามการเปลี่ยนแปลงของสเปกตรัมฟลูออเรสเซนซ์ทั้งหมดตามเวลาเป็นสิ่งที่น่าสนใจกว่า ซึ่งทำได้ยากเนื่องจากเทคนิค FU มีแบนด์วิดท์สเปกตรัมที่จำกัดมาก (<10 นาโนเมตร) เพื่อแก้ไขปัญหานี้ สามารถใช้วิธีการต่างๆ ได้หลายวิธี

วิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือการสร้างสเปกตรัมการเรืองแสงแบบแยกเวลาขึ้นใหม่ภายหลังจากร่องรอยจลนศาสตร์แต่ละรายการที่บันทึกไว้ที่ความยาวคลื่นต่างกัน^{[ 14 ]}

อีกทางเลือกหนึ่งคือสามารถทำการสแกนทีละขั้นตอนได้ โดยที่เมื่อหน่วงเวลาที่กำหนด จะทำการสแกนโมโนโครมาเตอร์ตามความยาวคลื่นในขณะที่ปรับมุมการจับคู่เฟสให้เหมาะสม^{[ 15 ]}

โดยหลักการแล้ว การตรวจจับบรอดแบนด์ที่แท้จริงของสัญญาณอัพคอนเวอร์ชั่นสามารถทำได้ด้วยสเปกโตรกราฟที่ติดตั้งกล้อง CCD อย่างไรก็ตาม ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น แบนด์วิดท์ที่จำกัดของผลึกทำให้ไม่สามารถครอบคลุมสเปกตรัมฟลูออเรสเซนซ์ทั้งหมดได้ แนวทางที่ชาญฉลาดในการเอาชนะปัญหานี้คือการหมุนผลึกอย่างรวดเร็วในระหว่างเวลาการวัด^{[ 16 ] [ 17 ]}

Ernsting และคณะได้พัฒนาแนวทางที่ก้าวหน้ากว่ามาก โดยปรับการกระจายเชิงมุมที่ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของฟลูออเรสเซนซ์ที่โฟกัสเพื่อให้เป็นไปตามเงื่อนไขการจับคู่เฟสในช่วงสเปกตรัมที่กว้าง^{[ 18 ]}