惯性导航具有自主性强,隐蔽性好,全天候、全天时工作等优点,成为战略、战术**不可或缺的核心导航方式,同时对惯性器件提出了高精度的要求。基于光阱力的原子加速度计为闭环系统,由于结构中没有机械连接,弹性支撑部分的摩擦阻尼对测量结果的影响较小,具有抗干扰能力强、精度高等优点,是实现小型化高精度加速度计的有效方案。根据瑞利散射模型,建立了单轴双光束加速度计的力学模型,并进行了数值仿真。同时分析并仿真了激光波长、聚焦程度等光阱参数对光阱力的影响。通过对加速度计的灵敏度分析,对参数进行了优化,得到了10 -7g·nm -1(g=10 m·s -2)的测量灵敏度。研究结果表明,基于光阱力的原子加速度计具有较高的测量精度。

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。

用三维时域有限差分法对光镊装置中介质球微粒所受光阱力情况进行模拟。根据Richards-Wolf矢量场衍射积分公式对消球差会聚透镜像空间中电磁场分布的表示，在总场空间中实现了对聚焦光脉冲的模拟。聚焦光脉冲与介质球微粒的相互作用，通过离散傅里叶变换提取出单频成分，利用计算光阱力的麦克斯韦应力张量公式，计算单频激光对介质球的光阱力。聚焦光脉冲的引入可以使一次计算得到多个频率下的计算结果。对相同的聚焦装置下介质球受不同频率入射光的光阱力情况进行了计算。计算结果表明使用线偏振光作光源时，大数值孔径聚焦透镜和短入射波长有利于介质球的横向操纵；沿光轴方向对介质球进行纵向操纵，需要大数值孔径的物镜和与之相适应的入射波长。

光纤光镊技术利用光纤出射的光束捕获和操控粒子，其飞速发展对光阱力的理论研究提出了更高的要求。采用射线光学模型对光纤光阱中的米氏微球所受到的光阱力进行数值模拟，讨论了光阱力计算中可采用的近似条件及其应用范围，比较了在近似条件下与直接计算情况下结果的差异，分析了微球与光纤端面之间的距离对近似计算的影响。理论分析和模拟计算表明，当微球与光纤端面之间的距离大于临界值时，可对计算模型中光束在微球表面的入射角、入射点的方位角等角度参量作近似处理，该结论为简化光纤光阱力计算提供了理论依据。

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。

基于动量守恒原理，结合麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法,建立了近场空间内激光光镊对纳米微粒的光阱力计算模型.分析了光纤探针型近场光镊的近场分布以及操作纳米微粒时各轴向光阱力的分布情况，并探讨了光纤探针尖端的捕获尺寸、捕获位置和操作稳定性.结果表明:微粒应处于光纤探针针尖的近场空间内才可实现稳定可靠的纳米操作，不同尺寸的微粒具有不同的捕获效果，且随初始位置的不同微粒的捕获位置亦不同.计算结果为激光近场光镊纳米操作装置的设计和制造提供了理论基础.

本文针对纳米材料的纳米操作，提出了一种复合激光近场光镊与AFM 探针进行纳米操作的方法，并基于动量守恒原理，采用三维时域有限差分方法建立了该方案中激光近场对纳米微粒的作用力模型，分析了各轴向光阱力的分布情况，讨论了两探针间距离、针尖材料的电导率、入射平面光场的偏振方向、入射角和波长等参数对近场光阱力的影响。结果表明：位于耦合光场中特定位置的微粒可被捕获至固定位置，所需的捕获功率大大低于传统光镊所需的捕获功率；为实现稳定的纳米操作，光纤探针与AFM 探针的距离应保持在孔径范围内，两探针的相互位置应保持成垂直关系，同时应选用短波长的捕获激光，并保持激光偏振方向与AFM 探针轴线的匹配。本文设计的近场光镊与AFM 探针相复合的纳米操作系统，能大大扩宽近场光镊和AFM 系统在纳米操作上的应用范围。