光镊是一种利用光场辐射压来俘获微小粒子的技术,比如原子分子、微米纳米尺度粒子、细胞等,是目前基础科学研究中的一个重要方向,被广泛的应用于物理和生命科学等领域。其中,光悬浮纳米粒子是一个典型的应用。与通过悬臂连接的力学谐振子相比,光俘获的粒子只与周围环境接触,消除了由悬臂引入的加热效应和退相干限制。在高真空中,光悬浮纳米粒子系统的质量因子预期可以达到1012,对周围环境的变化非常敏感,常用于一些超精密测量。此外,将纳米粒子的运动冷却至量子基态,预期可以产生宏观量子叠加态和测量退相干机理等。在本论文中,首先分析光悬浮微米纳米量级粒子的实验原理。根据粒子相对于激光波长的大小,分别用线性光学、瑞利近似和一般性洛伦兹-米氏散射理论分析粒子的大小和折射率、俘获激光的波长和数值孔径对光悬浮系统的影响。一束聚焦激光在焦点区域产生一个稳定的三维势阱从而俘获粒子。基于朗之万方程和涨落耗散定理,计算粒子质心运动的功率谱密度和阻尼率随压强的变化关系。设计一套真空系统,用于实现真空环境下光悬浮纳米粒子。介绍实验中纳米粒子的选择、存储、溶液配置和装载方法。基于平衡零拍探测原理,测量俘获的粒子三个正交本征运动方向的质心运动信号。作为探测系统的核心,自制高增益、高带宽、高共模抑制比的电流减探测器,实现高精度粒子运动信号的测量。搭建一套在真空环境下光俘获纳米粒子的实验装置。利用一个高数值孔径的物镜强聚焦一束532nm激光,实验上实现单个纳米粒子的稳定俘获。详细介绍真空气室中纳米粒子的装载和俘获过程。设计一套平衡零拍探测系统,分别测量粒子三个方向的质心运动信号,描绘粒子三维空间质心运动的轨迹。测量纳米粒子的本征运动频率与激光功率的关系。测量俘获激光为椭圆TEM00模高斯光束时,入射偏振对光悬浮纳米粒子质心运动的影响。根据矢量衍射理论,强聚焦激光在焦点区域的场强分布依赖于入射偏振。因此,纳米粒子的运动由入射激光轮廓的椭圆度和偏振共同决定。俘获激光为线性偏振时,粒子径向的本征运动频率和相应的功率谱随着线性偏振方向的旋转周期性变化。通过控制椭圆轮廓和椭圆偏振的相对方向和椭圆度可以增强或者抵消这些影响。研究光悬浮纳米粒子系统中在强耦合情况下的厄米和非厄米正交模式分裂现象。俘获的纳米粒子在自由空间中做谐振运动,将一个外部正弦信号相位锁定在纳米粒子的运动信号上,并利用其反馈控制俘获激光的强度,实现两个谐振子之间的强耦合。测量厄米和非厄米耦合条件下悬浮纳米粒子运动信号的正交模式分裂。此外,正交模式分裂现象伴随有冷却和加热效果。利用一套高数值孔径的成像系统观测光悬浮纳米粒子的偶极散射,避免了粒子与基片之间的相互影响。利用一束532nm激光沿俘获激光的垂直方向照明纳米粒子,测得高信噪比的偶极散射图像。通过测量像空间和傅里叶空间的散射光强分布研究偶极子定向。偶极散射强度的空间分布是三维面包圈形状,其随着照明光入射线性偏振的方向变化而旋转。测量照明光线性偏振在特定方向时粒子散射光的偏振特性。在真空光悬浮纳米粒子系统中,测量纳米粒子的超高速旋转运动。利用一束竖直向上的强聚焦激光俘获纳米粒子,补偿中间气压下散射力和光涌力对粒子的影响,在无反馈冷却质心运动条件下实现从大气压到高真空的稳定俘获。在无反馈冷却和有反馈冷却的条件下分别测得4.3GHz和6GHz的超快旋转信号,打破了目前机械旋转方面的记录。