在微/纳尺度上操纵颗粒和测量微小力学量,能帮助我们从单分子层次了解DNA弹性和蛋白折叠等生物大分子的力学信息,从单颗粒层次上研究流体动力学作用,以及研究微/纳尺度上组装和传动微型机器。在众多的微/纳操纵技术中,光镊技术具有纳米级位移和飞牛量级测量精度的独特优势,广泛应用于单分子、胶体和纳米科学等领域。在各种应用中,最常用光镊的方式为基于高数值孔径物镜的单光束梯度力阱,实现远场操纵微粒。为了更好的理解和运用光镊技术,理论研究光阱对微粒的俘获机理和光阱参数对光阱力的影响,对于完善光镊理论模型,提升现有光镊性能并付诸于实际应用具有重要的意义。当微粒尺度小到纳米尺度,光阱难以束缚它。光镊操纵纳米颗粒不仅是对光镊设备性能的挑战,而且在纳米流变学、纳米组装、胶体体系和表面增强拉曼散射信号上有着重要应用。本论文主要研究了矢量光线追迹的RO模型和矢量衍射-矩量法的EM模型,利用矢量衍射理论,分析了在光阱中纳米颗粒的辐射力与光镊参数的关系,并从实验上探索三维操纵纳米颗粒。在低信噪比情形下,我们研究了自相关函数标定颗粒的光阱刚度,它适用于标定纳米颗粒的光阱刚度。关于RO模型的理论研究中,本论文应用矢量光线追迹方法,统一分析三维方向上光阱力,简化了RO模型的计算。结合空间矢量和矩阵的计算方法,它能有效地分析偏振光束对颗粒的光阱力,弥补传统RO模型的不足。在此基础上,我们分析了玻璃-水界面球差引起的矢量光线追迹,利用坐标旋转的方法,实现对任意形状颗粒的光阱力及应力张量和力矩的计算。对于长杆状颗粒,球差并不随俘获深度增大时降低光阱对它的轴向俘获力,不规则颗粒在光阱作用的力矩下,自动调整到颗粒长轴与光轴平行的方位,这一方法拓展了传统RO模型的适应范围。有关光镊的EM模型的理论研究中,本论文提出了矢量衍射-矩量法的EM模型。这一模型分成聚焦光束的场分布、电磁散射后总场的分布和计算辐射力三个独立的部分。这一模型在改变参数时,能减少计算工作量,例如改变入射激光光束截面和物镜数值孔径等参数,无需计算反映微粒特性的矩阵元。通过模拟计算,得出在光阱中无法稳定俘获较大尺度的高折射率颗粒的结论。基于这一理论计算平台中,通过Rayleigh近似我们直接计算了纳米颗粒的辐射力,并研究纳米颗粒的辐射力与各参数的关系,得出在短波长、高数值孔径物镜和最佳光束分布时光阱俘获纳米颗粒的力最大。通过这些理论模拟,为我们三维操纵纳米颗粒的实验提供理论依据。根据前述辐射力的理论分析,本论文提出暗场照明光镊,实现实时观察三维主动操纵纳米颗粒。根据观察的需要,我们采用横向激光暗场照明,实现宽视场、实时和长时间观察纳米颗粒,并动态观察三维操纵纳米颗粒过程。由于观察和操纵纳米颗粒在俘获深度的相互限制,我们引入机械筒长失配的球差补偿,在较大俘获深度上的增强光阱力,实现在光学显微镜下清晰观察三维操纵直径70nm的颗粒。由于纳米颗粒的光阱力很弱,容易受到外界噪声的影响,它的刚度测量上需要尽可能降低这方面的影响。我们研究了自相关函数测量纳米颗粒的光阱刚度,作为方法的验证,在滤波和引入外界噪声等方面比较了功率谱法和自相关函数标定刚度的差异,具体分析了导致差异的原因。刚度标定的方法在光镊应用中非常重要,如何实现原位和实时标定刚度,不仅能简化实验过程,还能准确反映测量中瞬时的力学信息。本论文从理论上较系统地研究RO模型和EM模型,建立一套在微／纳米尺度上计算光阱力的方法。理论方法的建立有助于我们更好地理解微粒在光阱中的行为,指导实验设计和分析实验中遇到的问题。实验研究中我们提出暗场照明光镊并实现纳米粒子的俘获,分析了自相关函数标定刚度与实验各因素的关系。这些研究将拓展光镊应用于纳米领域。