紧聚焦矢量光场具有紧凑多样的空间强度分布以及极高的电场梯度和能量密度,在光学显微成像、光存储、激光微纳加工、激光加速、光学微操纵等领域具有广阔的应用前景。准确掌握紧聚焦矢量光场的空间分布特性对相关技术的创新和拓展至关重要。本文围绕紧聚焦矢量光场的产生、表征和应用开展了一系列研究,包括三维紧聚焦矢量光场调控算法研究、紧聚焦矢量光场的产生与表征方法研究以及紧聚焦矢量光场在光学微操纵技术中的应用研究等。本论文的具体研究内容如下:1.提出了一种在旋转坐标系下求解Debye-Wolf矢量衍射积分的快速三维光场调控算法。全息光镊通过调控紧聚焦光场的三维空间分布实现多粒子的并行捕获与三维操控。现有的三维光场调控算法计算量巨大,很难对粒子进行实时操纵。本文将Debye-Wolf矢量衍射积分推广至旋转坐标系,并提出了一种新的改进的GS算法——任意倾斜平面GS算法,可快速对三维空间分布的光场进行调控,从而实时操纵多个微粒在三维空间内运动。与传统三维迭代算法相比,该算法在保证光场质量的同时具有更快的迭代速度。本文成功将该算法应用于全息光镊,实现了对7×7二氧化硅微球阵列在三维空间中的实时旋转操纵。2.设计并搭建了一套紧聚焦矢量光场的产生与表征系统,不仅可以对紧聚焦矢量光场进行多参量调控,还能对所产生的光场进行强度表征。现有的基于纯相位型液晶空间光调制器的矢量光场调控方案存在光路冗长、能量效率低等缺陷。本文提出了一种基于紧凑型装置的矢量光场调控方案,可以同时对光场的相位和偏振进行多参量调控。为了对调控的效果进行验证,该系统还集成了两种紧聚焦矢量光场强度表征方法,包括平面镜扫描法和纳米荧光探针扫描法。在纳米荧光探针扫描法中,为了避免探针的漂白效应对测量结果的影响,本文提出一种改进的扫描方案,可以在14mins的时间内实现三维光场数据(512×512×100 pixels,2.4μm×2.4μm×2μm)的采集,采集速度比传统的点扫描方案快了两个量级。利用自行编写的控制软件,该系统可以实现自动化的数据采集与光场重建。最后,本文成功利用该系统对受激发射损耗显微中损耗光强分布进行了优化研究。3.深入研究了紧聚焦涡旋偏振光束的光致旋转效应,提出一种提高粒子光致旋转速度的方法,并总结出了观察粒子轴向自旋运动、非轴向自旋运动的最佳实验条件。紧聚焦条件下,涡旋光束中的粒子可能会受到额外的横向自旋矩的作用,导致非轴向自旋运动,从而令光致旋转的运动形式更为复杂。对粒子光致旋转的复杂运动形式进行深入研究有助于理解光与物质相互作用的物理机制。理论上,本文采用T矩阵方法研究了粒子在不同偏振的紧聚焦涡旋光束中的光致旋转运动形式。实验上,本文通过对碳酸钙微粒和聚苯乙烯微球的光致旋转运动特性进行深入研究,分析了入射光的偏振特性和涡旋相位的阶数对粒子运动形式的影响。在此基础上,提出了一种结合偏振调控和相位调控提高粒子光致旋转速度的方法,并总结出了观察粒子轴向自旋运动、非轴向自旋运动的最佳实验条件。