光学微操控主要研究光力与光力矩对尺寸在几十纳米到几十微米量级的微粒的操控,目前也开始涉及光力对微纳光子结构光学性质的影响。光学微操控基于激光光场诱发的光力和光力矩,其实现得益于激光技术的发展。光学微操控最广泛的应用是光镊,它源自四十多年前美国贝尔实验室Ashkin等人开创性的工作。最简单的光镊是通过聚焦高斯光束,利用光梯度力的作用,对微粒进行稳定的俘获和移动,把微粒陷在光束焦点附近。目前,光学微操控的实验技术逐渐成熟,人们开始利用具有广场分辨的结构光束或多光束来完成单粒子或多微粒的操控、多微粒的光束缚、微粒传输等。光学微操控已广泛应用于从胶体科学、物理学、生物学到医学等多个学科中,对微粒乃至活细胞进行操控。可以说,只要涉及微粒的领域,光操控就有用武之地。光学微操控已成为实验科学的一个迅速发展的分支,但是对其的理论研究却很落后。主要原因是：理论上难以精确描述光操控中使用的各种聚焦激光束；对实验光路的精确理论描述较为复杂。新一代的光学微操控倾向于使用各种结构光束来同时实现大量微粒的操控。目前的共识是结构光束将成为光学微操控中一个极为重要的方面。本文的工作就在于对光学微操控及相关问题的理论研究,而结构光束和光路的严格描述则是研究重点。本文使用矢量德拜积分来计算强聚焦入射光束,用Mie理论计算散射场,用麦克斯韦应力张量来计算光学力。本文结构如下：第一章是背景介绍,它包括三部分：光学微操控发展概述,光学微操控的分类,分别介绍了光俘获、光束缚、光吸引,最后是本文结构。第二章简要介绍了本文用到的研究方法,包括三维多重散射理论,作用在球体上的光学力和力矩,几种结构光束的描述。在第三章,我们研究了高聚焦高斯光束对Rayleigh粒子的俘获情况。在研究中,我们采用了混合偶极模型来严格描述焦距附近的高斯光束,以区别于以往对高斯光束的傍轴近似,并且使用Mie理论以及对时间平均的麦克斯韦应力张量的积分来计算力,从而保证了数值计算的准确性。进而我们给出了粒子受力、平衡位置、以及俘获劲度系数的解析表达式,为实验提供了可靠方便的理论依据。如何增大同时稳定束缚到的微粒数目是光学束缚中一个重要的课题,因为一个有用的材料是由大量微粒组成。在第四章,本人基于对矢量贝塞尔光束的严格理论描述以及多重散射理论,研究了粒子表面不同镀层对粒子间相互作用的影响。通过在一对全同粒子表面覆盖不同材料的镀层,我们发现覆盖银或者具有低介电常数的电解质材料的镀层可以增加短程多稳态(两粒子之间保持稳定平衡的组态数),而抗反射镀层却减少了多稳态,这与不同镀层在光学俘获中所起的作用不同。研究进一步表明,对于具有小中心角的贝塞尔光束,镀层对增加稳定束缚住的粒子数目的作用很小。但是随着贝塞尔光束中心角的增大,例如在极限的平面波情况,用银或者用低介电常数材料做成的镀层可以极明显的增加稳定束缚住的粒子数目。在第五章,我们提出了光学吸引力的概念。当带有正动量的入射光照射在微粒上,人们一般会认为散射力将推动微粒沿着光传播的方向运动。是否可以想象,微粒在非衍射光中会逆着光传播方向运动,而入射光在传播方向上是不存在强度梯度的。这与人们的直觉相违背。我们在研究中却证实了这种可能的存在。与光学俘获中的梯度力不同,这里所说的光学吸引力,完全是由散射力引起。实现光学吸引力的条件是：同时激发Mie粒子的多极矩来实现多极干涉;调节光束参数使正向光子动量减少。这个工作为光学微操控增加了一个新的自由度。在第六章,根据角动量守恒,我们证实了带有正角动量的光束可以对无吸收的非球体产生负的光学力矩。负力矩的出现是由于光到达结构不同位置处的光延迟以及所研究结构的对称性共同作用的结果。延迟效应会导致力矩在正负值间振荡,这也是为什么带孔结构有利于产生光学负力矩的原因。而带孔结构的分立旋转对称性越高,负力矩就更明显,即使是吸收性粒子也可以产生光学负力矩。通过这个工作,可以实现微粒的正反方向转动,从而为光学微操控提供更多的灵活性和自由度。最后,对整个论文作简短的总结。