提出一种基于非对称涡旋光束的动态光镊, 实验中基于计算全息技术, 通过对涡旋光束的动态调控, 实现了酵母菌细胞的分离与聚合, 探究了非对称动态涡旋光束对酵母菌细胞的操纵特性。计算了用此光镊系统操纵酵母菌细胞时的光阱刚度, 在激光器出射功率为230 mW时, 光阱刚度统计均值为0.098 5 pN/μm。

针对双光束光阱轴向光阱刚度小、捕获稳定性差的缺点,提出利用四光束光阱捕获和操控微粒。采用射线模型对比分析了双光束光阱与四光束光阱在力学特征上的差异,设计制备了四光束光阱芯片。用其捕获半径为5 μm的聚苯乙烯微球,并采用均方位移法对其轴向光阱刚度进行标定。仿真和实验结果均表明,四光束光阱中轴向光阱的刚度与双光束光阱的横向光阱刚度相当,且远大于双光束光阱的轴向光阱刚度。四光束光阱在保持双光束光阱横向捕获稳定性的同时,提高了轴向捕获稳定性,对微纳颗粒的稳定操控有重要意义。

基于有限元算法和Maxwell应力张量法, 分析了紧聚焦高斯光束照明下金基底表面的金纳米球所受光力。利用无结构的平整金基底, 被捕获的金纳米颗粒和金基底之间能够产生间隙表面等离激元和局域表面等离激元共振效应, 将电磁场局域在金球与金基底之间的纳米间隙内, 增强了金纳米球所受光力以及光阱刚度。通过研究入射光的偏振态、金纳米球的半径、基底类型以及聚焦光束焦点到基底表面距离对光力的影响, 得到了实现基底附近金纳米球稳定捕获以及获得最大光力的优化方案。

为了研究激光偏振态对光阱刚度的影响, 本文比较了四种不同偏振态光场(方位角偏振光、径向偏振光、线偏振光、圆偏振光)捕获不同尺寸SiO2微粒的三维光阱刚度.研究结果表明：当SiO2微粒的尺寸和激光波长相近时, 圆偏振光和线偏振光的三维光阱刚度大于径向偏振光和方位角偏振光的三维光阱刚度; 而随着SiO2微粒尺寸的增加, 方位角偏振光和径向偏振光的三维光阱刚度大于圆偏振光和线偏振光的三维光阱刚度.此外, 实验也表明：使用浸油物镜捕获微粒时, 物镜匹配油的折射率和水的折射率不一致引起的球差, 会降低系统对物镜数值孔径的利用.通过这些研究工作, 可以为不同偏振态光场的测力研究提供一定的指导和参考.

考虑高精度的光阱刚度测量是光阱力测量的关键, 本文提出了采用玻尔兹曼统计法来分析光阱刚度的测量精度。首先, 描述了实验室搭建的近红外光镊系统, 并将其搭建在暗室中的气垫平台上, 以便隔离光干扰和振动干扰。然后, 用四象限光电探测器探测被光镊捕获的微球向后散射的光, 并选用与溶液黏度无关的玻尔兹曼统计法计算样品池底面附近的光阱刚度。最后,分析和讨论了溶液温度的变化、四象限光电探测器的灵敏度、采样频率以及采样时间对光阱刚度测量精度的影响。理论分析及实验计算显示: 溶液温度的变化对光阱刚度的测量影响很小, 但四象限光电探测器的灵敏度对光阱刚度测量精度影响较大。考虑采样的完整性和数据处理速度, 采样频率通常取为被捕获颗粒拐角频率的5~10倍。对于本文搭建的近红外光镊测量系统, 采样时间取为1~7 s时, 可以保证高精度地测量光阱刚度。

为了探讨用光镊技术进行细胞折射率的测量方法,用几何光线理论对可作为米氏粒子模型的生物细胞(半径a=10 μm,折射率n=1.35～1.70),在单光束梯度力光阱[激光波长λ=780 nm, 功率P=6 mW,焦斑半径w(0)=0.6 μm、0.8 μm和1.0 μm]中的轴向光阱刚度与细胞折射率关系进行了数值计算。结果表明,光阱刚度随折射率的变化关系与三次多项式曲线拟合得较好;用测量光阱刚度计算细胞的折射率时,需要用折射率已知的四种标准粒子对三次多项式曲线进行标定。

用动力学方法求出了球模型生物细胞在光阱中的横向位移均方差与时间的关系.结果表明:小球在光阱中服从Boltzman分布,两种方法可用于直接对细胞光阱力标定;细胞位移幅度典型值为纳米量级,定标系统的空间分辨率为纳米量级.结论和已有实验结果相符.