本论文以理论与实验相结合的方法,旨在研究飞秒激光显微操作系统的特性,主要包括以下几方面工作:一针对介于几何光学理论适用范围和瑞利范围之间的受光粒子(文中称中等尺度粒子),在较大的范围内,分别利用几何光学理论和广义洛仑兹-米氏理论计算轴向光学力及其对微粒尺寸和聚焦光束腰半径的依赖关系。通过比较两种模型计算结果,分析证明广义洛仑兹-米氏理论模型用于分析各种尺度粒子所受光学力的普适性及几何光学模型在计算小粒子受力情况的局限性,并得到几何光学模型适用范围的新判据。理论结果有助于设计具有最佳捕获效率的光学势阱。二基于几何光学方法,建立了数学模型,将飞秒激光脉冲序列看作是对连续光的周期采样,给出横向光学力计算公式。计算结果表明,由飞秒光脉冲产生的光学梯度力,能有效地抵消布朗运动引起的被捕获微粒逃逸势阱中心的趋势,并从理论上证明飞秒激光光镊对微粒横向稳定束缚的可行性。理论结果以图形表述,直观形象。三以高重复率飞秒激光器为光源,成功建立一套飞秒激光细胞显微操作实验样机。该样机以Olympus IX71型生物倒置显微镜为主体,将其中一个成像检测通道改造成飞秒激光光源的输入通道,并配备我们改装的高精度二维微位移载物台(最小步长为0.2微米)和CCD图像记录与监控系统。光源为本室自行研制的自锁模掺钛蓝宝石激光器。四在我们研制的实验样机上,成功地实现了对人体血红细胞、白细胞、更小病毒以及聚苯乙烯微球的稳定捕获,并比较了飞秒激光光镊与连续光光镊的捕获能力。五利用研制的飞秒激光细胞显微操作样机,通过单细胞操作,进行基于双光子激发的光动力学的实验,实验结果充分证明该样机在生物医学光子学领域的应用前景。六论文最后描述对前期工作的改进计划,并对后续工作进行展望,以期为进一步的工作打下良好的基础。