光镊是一种基于光的力学效应捕获和操控颗粒的技术,由于其具备实时操控、非接触、无机械损伤的优势,在微生物分子、分散体系、活体细胞检测等研究领域获得了广泛的应用。然而基于高功率、紧聚焦激光的传统光镊技术的功能单一、操控自由度小,而且难以在大面积范围内同时捕获和组装不同尺寸的微粒或者细胞。为了克服传统光镊的这些应用困境,实验物理学家们扩展了许多新型的光操控方法,其中一种方法是利用激光产生的热效应操控微粒,即光热操控。本文提出基于一维光子晶体和金纳米薄膜的光热效应实现对介质微粒、生物细胞的大面积组装、迁移、捕获等多功能操控,具体研究内容和取得的成果如下:1、一维光子晶体的制备和表征。利用表面等离子体增强气相沉积法制备了一维光子晶体,并通过自主搭建的泄露辐射显微镜对一维光子晶体整体的结构参数进行了表征,证明样品结构满足实验要求。2、基于一维光子晶体的光热效应,实现微粒的多功能光热操控。首先通过宽场激发一维光子晶体的表面倏逝波,由于动量传递,粒子受到倏逝波的光散射力和光梯度力。光照区域内的微粒会在光力的作用下沿着倏逝波的传输方向向前迁移,且微粒的迁移速度具有偏振和角度依赖性,速度可调节。其次,在实验中首次发现一维光子晶体的内部模式会产生明显的热对流,在光力和热对流力的共同作用下,能够实现微粒的大面积组装和清除。该方法无结构激发、基片可重复使用,具有成本低、实用性强的优势。3、提出聚焦布洛赫表面波可应用于光热操控细胞和微粒,扩展了一维光子晶体的应用领域。首先利用有限元方法模拟分析了聚焦布洛赫表面波的光热效应包含光力、长程的热对流力以及局部的热泳力,在理论计算的基础上,将构造的环形角向偏振光作为入射光,高效率地激发聚焦布洛赫表面波。布洛赫表面波向中心传播干涉形成强局域电场,实现了酵母细胞和大肠杆菌的精准捕获、组装以及粒子筛选。该方法具有无损和低功率的特性,为生物细胞的远程传输、分类、自组装提供了新的研究思路和手段。4、基于金纳米薄膜的高光热转换效率,利用低功率聚焦激光在表面诱导生成气泡,导致马兰戈尼对流的实现。通过有限元方法分析得出气泡组装的影响因素,结合实验,改变实验条件如激光功率、金膜厚度、激光与气泡的相对位置,证明了该方法能够对介质微粒、纳米线、藻类、金属颗粒实现无差别对称或者非对称组装。该方法具有功能集成、实用性强的特点,未来可应用于微纳米尺度图案。