光镊技术是光与物质相互作用的产物,它能够以非接触的方式操控微纳米尺度的对象,并允许探测皮牛量级的力,而且测力精度甚至能达到飞牛水平,因而常作为超灵敏力探测器被广泛应用于生命科学、胶体物理、微流体等领域。光镊的研究主要集中在四个方面:其一、位置探测;其二、光阱刚度标定;其三、光束整形;其四、探究不同对象的捕获实验。本文以这四点为中心,以构建出多功能的光镊操控系统为目标,希望通过此系统以更加灵活、可控的方式实现对感兴趣对象的捕获、操控和应用研究。本论文围绕上述研究目标,逐步实现了光镊系统的两种构造方式:通过外部光路的共轭设计,成功地将反射镜控制的捕获光束引入商用显微镜(Nikon Eclipse Ti-U)的物镜后孔径处,实现对聚苯乙烯微球的手动二维操控;自主地设计并搭建开放式单光束捕获光路和显微成像装置,并对系统的物理参数进行标定,用此系统成功捕获小鼠成肌细胞,并实现其被动控制。基于这些早期的研究,本论文的主要研究工作如下:(1)提出变频率正弦激励来探究粒子在光陷阱中的动力学,澄清了正弦激励法的频率选择困扰,并理论上阐明粒子振幅和相位延迟的余弦关系;通过实验证实,只需满足奈奎斯特-香侬采样定理,仅使用低带宽的探测器足以获取粒子的振幅和相位信息,故可重构出粒子半径范围内的光力场;另一方面,探讨偏振对粒子逃逸的影响,发现临界振幅或频率值与捕获光的偏振方向呈正弦关系。(2)通过聚焦照明优化成像质量,设计4f配置的捕获光路,在其中引入空间光调制器实现对光束的整形,成功搭建出多功能全息光镊系统;编制基于柯林斯衍射公式和ABCD矩阵的衍射计算程序,促进计算机生成全息图和特殊光场传播性质的研究;以压电位移台作为参考基准,并利用计算机生成的光栅相位,确定出系统的有效焦距,与通过几何光学计算的结果完美吻合,表明全息光镊系统符合设计预期。详细介绍多种经典的全息相位图设计算法,并利用棱镜-透镜算法生成3 × 3点阵,最终同时捕获9个4 μm直径的聚苯乙烯微球。(3)提出基于互补随机化二元掩模的相位编码策略,用于在捕获平面指定位置处生成多个具有不同能量比的光陷阱,并基于构建的全息光镊系统,通过四组能量调控实验,从光阱刚度标定和直接功率测量两个方面,同时证实所提方法在多目标操纵研究中,能够独立调控光陷阱之间的能量占比,且实验结果符合预期,因而证实了能量调控策略的有效性和可重复性;此外,在专门设计的具有指定能量比的三个光陷阱区修饰上不同拓扑荷的光学涡旋,实现对捕获粒子的旋转方向和转速的可控调节,证实调控策略的多功能性。