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稀土离子Tm掺杂纳米材料在可见蓝光波段具有高效的上转换辐射，因而在全固态蓝光激光器、高密度光信息存储以及多功能光学显示等方面具有重要的潜在应用价值。本论文实验研究了Tm离子掺杂ZrO2纳米晶材料的光子雪崩发光动力学，以及Yb离子敏化Tm:ZrO2纳米晶上转换辐射的本征光学双稳特性，理论分析了光子雪崩发光和上转换辐射本征双稳的具体物理机理。采用燃烧法制备了不同掺杂浓度的Tm:ZrO2纳米晶材料，详细表征了纳米晶样品的成分、形貌、尺寸和晶相结构等。采用653nm雪崩波长激光作为激发源，获得了高效的475nm蓝光上转换和830nm近红外下转换辐射光谱。研究了室温环境下Tm:ZrO2纳米晶的光子雪崩稳态发光特性和瞬态激发动力学响应，实验上观察到了光子雪崩显著的阈值发光行为和临界慢化现象。详细分析了Tm:ZrO2纳米晶的发光阈值和雪崩阈值，以及发光效率等对Tm离子掺杂浓度的依赖，给出了优化掺杂浓度。实验获得了毫瓦量级以下的超低阈值光子雪崩发光，分析了Tm:ZrO2纳米晶材料所具有的优良的光子雪崩发光性能。采用速率方程理论建立了Tm离子掺杂体系在653nm激光激发下的光子雪崩物理模型，数值模拟了Tm离子基态与激发态能级布居数的稳态抽运动力学和激发光的非线性反饱和吸收行为，分析了主要物理参数对光子雪崩阈值和发光强度的影响。数值模拟了653nm方波脉冲激发下Tm离子布居数的瞬态时间演化动力学，分析了光子雪崩的临界慢化现象。通过与实验结果相比较，理论模型很好地预见了Tm:ZrO2纳米晶光子雪崩发光的稳态特性和瞬态时间响应，合理地解释了其微观物理过程。采用燃烧法制备了2mol%低浓度和10mol%高浓度Yb离子掺杂的Tm:ZrO2纳米晶样品，通过X射线衍射仪、扫描电镜和透射电镜分别表征了相应的晶相结构和颗粒形貌，分析了掺杂浓度对晶相结构的影响。在室温环境下，采用973nm二极管激光器作为激发源，实验测量了可见与近红外上转换发光光谱，分析了不同Yb离子掺杂浓度下所对应的敏化能量传递上转换机制。实验研究了480nm蓝光、680nm红光和800nm近红外光谱上转换辐射的本征双稳特性，分别讨论了低浓度和高浓度Yb离子掺杂Tm:ZrO2纳米晶中本征双稳辐射的物理起源。