光镊是一门利用光的动量与物质相互作用产生光势阱效应以实现粒子捕获的重要技术, 该技术被广泛应用于纳米或微米级微粒的捕获及操控领域。当今技术和需求的发展对光镊系统的光束变换提出了更高的要求, 因此需要对捕获光源的光束进行整形, 获得光镊所需的光场分布。以激光光束整形的器件为主线, 分别介绍在光镊系统中使用棱镜、衍射光学元件、液晶空间光调制器、数字微镜器件、光纤等光学元件进行捕获光源光束整形的情况。列出了这些器件组成的典型整形光路, 以及近年来这些器件在光束整形方面的研究进展。同时还介绍了在捕获光源的整形设计中, 上述方法的各自特点及相应的捕获能力。

基于T矩阵法，计算拉盖尔-高斯光束(LGpl光束)光镊捕获双层球的捕获力。结果表明：随着数值孔径增大，光镊轴向和横向捕获效率最大值和捕获域均增加，数值孔径太小或太大时，光镊轴向和横向捕获效率会减小；球核折射率大于包层折射率时，随包层折射率增加，光镊轴向和横向捕获效率不断增大，球核折射率小于包层折射率时，光镊轴向和横向捕获效率会随包层折射率增加而减小；随LGpl光束的角向节线数(l)增大光镊轴向捕获效率最大值先增加后减小，而随LGpl光束的径向节线数(p)增加轴向捕获效率最大值渐渐减小，曲线逐渐平行于横坐标轴。

T矩阵法适合用来研究微粒尺寸与入射光波长相近时系统中光镊的捕获力。T 矩阵法只取决于散射微粒的形状、尺寸大小、折射率及微粒在坐标系中的位置，而不受入射场约束。主要简述了T 矩阵法基本原理和计算，综述了光镊中单个微粒、两个微粒及两个以上微粒捕获力和力矩的计算方法，并对T 矩阵法在光镊中的应用前景做了分析。

根据高斯光束和拉盖尔高斯光束两种光源的截面光强表达式，模拟出各自的光强分布. 利用几何光学模型分别计算了高斯光束和拉盖尔高斯光束在不同捕获目标尺寸和折射率、显微镜物镜的数值孔径以及样品池界面处到捕获目标的距离时的捕获效率，对高斯光束和以拉盖尔高斯光束为代表的空心光束的捕获能力进行了比较.结果表明，拉盖尔高斯光束相对于高斯光束其捕获能力具有很大的优势，拉盖尔高斯光束的最大反向捕获效率高于高斯光束的最大反向捕获效率，在光镊稳定平衡点附近的刚度大于高斯光束的刚度. 拉盖尔高斯光束由于其特殊的光强分布，当物镜的数值孔径足够大时球差对其影响较大.

通过模拟单光线在双层介质球各界面上的反射和折射，分析了单光线对介质球施加的作用力，进而计算了整个高斯型激光束对小球施加的作用力。计算双层球的内层折射率分别为1.0和1.9时的捕获力，分析小球内层的半径和折射率对光镊捕获力的影响。计算结果表明，不同内径和折射率对捕获力的影响显著。当内层折射率小于外层折射率时，光镊捕获的稳定性得到提高，但是捕获的空间范围被压缩；而当内层折射率大于外层折射率时，光镊的捕获性能降低。双层球捕获力的分析结论为该类小球用做光手柄提供了可靠的理论依据。

光镊已经成为研究单分子生物物理特性的一个基本工具, 因而光镊设计是一个极为重要的课题。光镊捕获光路一般由激光器、扩束系统、光束调控系统、共焦系统、光束耦合系统和大数值孔径的物镜组成, 通过保持物镜后瞳充满度来实现光镊稳定性。本文根据几何光学, 利用矩阵光学进行光镊捕获光路计算, 得到了各个透镜间距、透镜和光束调控系统距离、物镜后瞳处光斑大小与光束调控系统处光斑大小的关系、光束调控系统处光斑大小和入射激光光斑大小的关系。本文计算结果表明光镊横向位置和物镜高度无关, 并指出了物镜后瞳位于成像透镜后焦面、光束调控系统位于共焦系统后透镜像方焦面处, 才能在光镊阱位纵向操控时保持物镜后瞳充满度不变。本文工作为光镊设计和调整提供了非常简洁而有效的理论指导。

光镊利用强会聚激光对微粒产生的梯度力来捕获微粒, 可以进行无损、远程操控, 同时具有皮牛精度的测力特性, 已经成为物理学、生命科学和胶体化学等研究领域中不可缺少的研究工具。光镊效应可以表现微小的光子动量和角动量, 是物理学的重要教学工具。本文根据高斯光束传播和变换规律, 设计具有稳定捕获性能的最小化光镊, 并给出了典型参数。光镊系统由捕获激光、光束耦合系统、倒置生物显微镜和大数值孔径物镜组成, 成像系统由物镜、摄影目镜和CCD相机组成。本光镊系统具有紧凑特性, 同时通过保持物镜后瞳充满度来实现稳定捕获。在该最小光镊系统上, 可以根据用户需求增加光镊阱位操控系统、刚度调节系统和其他辅助设备以满足不同操控要求, 可以很好地满足科研和教学需求。

总有机碳是以碳的含量来表示水体中有机物总量的综合指标,比化学需氧量等参数更能准确反映有机污染程度。根据CO2气体对红外光的吸收与其浓度的关系符合Lambert-Beer定律,研制了一种非分散红外法总有机碳检测仪。该仪器能将待检测的水样导入反应器,水样中有机物被氧化成CO2,非分散红外模块检测到的CO2浓度与水样中总有机碳浓度具有良好的对应关系。具体论述了该仪器的工作流程、分析方法和数据处理方法。测试结果表明仪器的检测下限优于0.5 mg/L。该仪器可以为污染减排工作提供可靠的数据支持,完善污染物总量减排监测体系建设。

光镊可以非接触、无损伤地操纵尺度位于数纳米到数十微米之间的生物细胞、亚细胞、生物大分子以及胶体粒子，已经成为生命科学和胶体化学领域不可缺少的研究工具。根据几何光学，对基于有限远光学系统显微镜的光镊光路进行了分析计算。这类系统由捕获光源、准直透镜、倒置生物显微镜、大数值孔径物镜、成像系统和CCD相机组成，可以在保持物镜后瞳充满度的情况下调整阱位和刚度，具有捕获力大、被捕获的粒子成像清晰等优点，可以很好地满足科研和教学需求。

推导了涡旋光束传输一段距离后观测平面上电场的解析表达式，在此基础上对观测平面上的光强分布及光斑大小进行了分析。和传统的高斯光束不同，涡旋光束传输后的光斑尺寸没有较为统一的定义。提出了均方根光斑尺寸以及等效光斑尺寸的定义，并分别采用这两种定义对涡旋光束的光斑展宽进行了分析。研究表明，涡旋光束在传输中的光斑展宽由拓扑电荷数以及传输距离决定，拓扑电荷数越大，光斑展宽越快。数值计算进一步说明，等效光斑尺寸更适合用来表征涡旋光束传输后的光斑大小。