麦克斯韦根据电磁学理论指出,当电磁波与物体的感应极化相互作用时,由于光的散射和吸收效应会对物体产生光力。这种机制最有效的应用之一是Ashkin等人在1986年发明的光镊技术,用于粒子和细胞的捕获。随着激光技术的发展,光镊技术作为一种非接触式操控的技术广泛用于物理、化学和生物等领域。传统的光镊技术是以连续光作为光源,然而随着激光技术的发展,高重复频率飞秒激光脉冲备受人们关注。它具有较窄的脉宽和较高的峰值功率密度、很高的时间分辨率和空间分辨率,不仅可以捕获纳米级的微小粒子,而且作用于生物组织时几乎不伤及周围组织。除此之外,飞秒激光脉冲与粒子相互作用的非线性光学过程带来了许多新颖的粒子捕获效应和动力学行为。鉴于高重复频率飞秒激光脉冲在光镊技术中的独特优势和应用前景,本论文围绕高重复频率飞秒激光脉冲与电介质瑞利粒子相互作用,研究了作用在瑞利粒子上的光力分布与非线性光学特性及粒子结构等的依赖关系,主要内容如下:首先,基于偶极近似理论建立了高重复频率飞秒激光脉冲作用于电介质瑞利粒子上的光力理论。与传统的偶极近似理论不同,高重复频率飞秒激光脉冲与浸没在溶剂中的电介质瑞利粒子相互作用时会激发粒子和周围环境的非线性光学效应,因此需要考虑粒子的非线性极化修正。根据Clausius-Mossotti方程与极化率散射修正理论推导了粒子的线性和非线性极化率表达式;根据Richards-Wolf矢量衍射理论和能量守恒完善了焦场光强分布与入射光平均功率的依赖关系;根据偶极近似模型推导了单粒子所受平均光力的计算公式。分别给出了实心粒子具有三阶非线性光学效应和浸没在具有三阶非线性光学效应溶剂中的粒子的平均光力解析表达式,并给出了具有三阶非线性光学效应的核壳结构粒子的光力计算方法。其次,研究了粒子的光克尔效应对光学微操控和粒子动力学行为的影响。结果表明,粒子的自聚焦效应会使得粒子受到的梯度力增加,能够更加稳定地将粒子捕获在光束中心。然而粒子的自散焦效应不仅会耗散梯度力,导致被捕获的粒子沿着光束传播方向弹出,并且在横平面出现势阱分裂的现象,能够同时稳定捕获多个粒子。紧接着分析了诸如粒子半径、数值孔径和入射功率等参数对光力的影响,提供了多种调控光力的手段,并从介质极化率的实部与虚部的物理意义对光力进行了深入分析。进一步地,研究了置于具有非线性光学效应溶剂中的瑞利粒子的光力分布和动力学行为。有趣的是,在溶剂具有较强双光子吸收效应下,瑞利粒子可以被连续地沿光束传播的反方向拉向光源。为了解释这一物理现象,仔细分析了产生牵引力的物理机制,并列出了满足产生牵引力的条件,以及可能产生牵引力的粒子和溶剂的选择范围。最后,探讨了紧聚焦高斯激光脉冲作用于非线性光学效应的中空核壳结构纳米粒子的光力分布。研究结果表明,粒子的内核与外壳体积比直接影响了粒子的动力学行为。当体积比为定值时,粒子外壳的非线性光学效应则会影响粒子的光力分布和动力学行为,例如外壳的三阶非线性折射效应会影响梯度力,而外壳的三阶非线性吸收效应则会影响粒子的辐射力,粒子最终的动力学行为是体积比和非线性光学效应共同作用的结果。最后计算了粒子位于焦点处的速度与入射光功率的依赖关系,并从理论上给出了通过捕获动力学实验可以表征出中空的核壳纳米粒子双光子吸收系数的方法。本论文建立和发展了强激光与微粒相互作用的线性和非线性极化理论,分析和鉴别了非线性极化导致的新型光力,发展和完善了单粒子非线性光学表征技术。本论文的研究成果为飞秒光镊技术在粒子分选、表征单个纳米粒子的双光子吸收系数、生物光子学和超分辨成像等方面的潜在应用前景提供了理论依据与支持。