光镊技术是利用高度聚焦的激光束所形成的梯度力势阱对微纳粒子进行捕获和操控的技术, 在生物、物理、化学和医学等领域有着非常广泛的应用。基于4π聚焦系统, 理论研究了径向偏振高斯光束的紧聚焦特性及其对金属微粒的辐射力, 并与传统的单透镜聚焦系统结果进行比较; 还详细讨论了不同离焦和离轴距离对光阱刚度的影响。研究结果表明, 与传统的单透镜聚焦系统相比, 4π聚焦系统通过选择合适的光学参量, 可以获得具有三维球形结构的聚焦光斑, 显著增大了横向和纵向的梯度力, 从而显著增强光镊系统捕获金属微粒的稳定性。

光压加速度计作为新型悬浮类加速度计, 对惯性微球所受光阱力的理论研究提出了更高的要求。对单轴双光束光压加速度计的工作原理进行了分析, 并采用T矩阵方法对光压加速度计中的惯性微球在任意一轴所受到的光阱力进行数值模拟, 比较了在不同主要参数下的光阱力捕获效率的差异, 最后对光压加速度计的灵敏度进行了优化分析, 得出了10-7g/μm加速度的测量灵敏度。理论分析和模拟计算表明, T矩阵的方法可以实现快速和较为精确的光阱力的仿真与计算; 同时, 基于单轴双光束的光压加速度计方案可以得到较高的测量精度。

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。

基于T矩阵方法，建立了双光束光阱中米氏微粒的光阱力计算模型。分析了光束相干性对光阱力的影响，即当捕获光为相干光时，两束光产生干涉，形成驻波，虽然能增加光阱力的大小，但由于形成包络峰，使得光阱力线性区域大大减少，不利于对光阱力进行分析以及标定。研究了在非相干条件下，被捕获微粒尺寸、光束辐射角、相对折射率和捕获激光波长对光阱力的影响。通过仿真，得出知被捕获微粒半径为1~5 μm、捕获波长为980~1064 nm、光束辐射角为40°~60°时，双光束光阱的捕获效果最好，且随着相对折射率的增大，光阱阱深减小，捕获范围增加。

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。

根据里查德-沃耳夫矢量积分公式，研究了径向偏振光通过具有像散的大数值孔径物镜后在焦点附近的光阱力。着重研究像散对轴向和横向光阱力的影响。研究结果表明，像散的存在导致了光阱力的势垒减弱，光阱中心的偏移，甚至是改变了有效捕捉区域,这将严重影响了光镊的轴向和横向对粒子的捕捉。通过对改变数值孔径的大小和孔径与光腰的比值，以及对不同大小的粒子捕捉效果的对比，可以改变像散对粒子捕捉影响的程度，从而改善像散对光阱力的影响，这对于光镊等精密仪器的操作是十分必要的。

为提高近场捕获的能力与灵活性，研究了一种利用镀膜光纤探针对纳米微粒进行近场捕获的方法。采用麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法建立了近场中纳米微粒的作用力模型，通过光阱力与其他作用力的比较讨论了近场捕获的稳定性，并根据各轴向光阱力的分布情况分析了纳米微粒的捕获尺寸与捕获位置。结果表明，只有当微粒尺寸小于探针孔径时才存在捕获效果，探针尖端不同位置出现不同捕获过程，在光阱力的作用下微粒最终被捕获至孔径边缘并形成圆状分布。结合纳米定位与检测方法，设计了全光纤低损耗的光纤探针近场捕获系统，并对120 nm的聚苯乙烯微粒进行了捕获实验。结果表明，采用极低的激光功率能把粒径为激光波长1/7的纳米微粒捕获至光纤探针尖端，并形成内径与探针孔径一致的圆环状分布。该计算与实验结果为近场纳米操作的实验研究打下了基础。

根据里查德沃耳夫矢量积分理论，研究了在径向偏振光经大数值孔径聚焦下，透镜球差对瑞利粒子轴向光阱力的影响。通过数值计算得到了轴向光阱力随球差系数变化的分布。研究结果表明，球差系数的存在，不仅改变了光阱力的数值大小，也影响了对粒子束缚的有效作用区域，还导致光阱中心位置发生偏移。而且正负球差系数对光阱力的影响并不总是对称的，正球差系数使得梯度力的0点位置往z轴正向偏移，负球差系数使得梯度力的0点位置往z轴负向偏移。在不同的数值孔径、粒子半径以及孔径与光腰的比值下，球差对光阱力的影响程度也不同。