直接对动物活体内的细胞进行操控和成像对于研究活体环境下细胞的结构和功能、细胞与组织之间的相互作用、研究血栓形成机制和肿瘤细胞转移等生物医学问题具有重要意义。20世纪80年代光镊技术的问世为细胞的无损伤操控和研究提供了极好的工具。光镊技术发展至今已能够操控动物活体内的血细胞,但由于光子在生物组织中的强散射问题和传统高斯光场光镊的局限性,高斯光镊目前还无法实现深层活体组织内的细胞操控,成为光镊技术用于活体研究继而推向实际生物医学应用的壁垒。与此同时,活体光镊技术还涉及到生物组织的深度光学成像问题,它同样受限于生物组织的光散射特性。研究过程中人们发现,光场的空间调控能够帮助突破传统光镊技术的局限性,抑制生物组织强的光散射特性。通过结合光镊技术和光学成像技术,光场的空间调控为解决活体操控和成像所面临的挑战提供了一个有效的途径。为了实现动物活体内深度细胞操控,本论文实验研究了复杂光场的空间调控和活体光声成像技术,具体研究内容和取得的进展包括:1.复杂光场空间调控技术。活体生物组织的光学性质具有复杂和动态变化等特性,为了通过光场调控来克服组织的光散射问题,需要开发动态的复杂光场调控技术。本论文研究了高速空间光调制器件——数字微镜器件(DMD)的复杂波前调制技术,实现了振幅、位相、偏振态、空间相干性等光场性质的灵活调控和光场多个自由度的同时调控,并成功将其应用于各种复杂结构光场的实验研究。2.复杂结构光场在新型光学操控中的应用。为突破传统光镊技术的局限性,本文将复杂结构光场与光镊技术相结合,开发了多种新型光学操控方式和功能,实现了吸热磁性微粒的操控和多通道微粒光学输运等新型捕获形式,并进一步探索用于癌细胞杀伤和活体细胞操控等实验研究。3.新型活体光声成像技术。为解决生物组织的深度光学成像问题,本文提出了一种基于复杂光场调控的三维活体光声成像技术——合成光针光声显微成像技术(SLN-PAM)。SLN-PAM通过探测入射光子在组织中激发的超声波,极大地克服了光子在生物组织的强散射性,显著增加了生物组织内的成像深度。这种光声成像技术实现了空间不变的亚衍射极限的分辨率,同时拥有超长的成像焦深。作为验证,我们构建了基于DMD的系统原型,并利用这种新型光声成像技术实现了活体斑马鱼的高分辨体成像。本文的研究进展和成果为突破目前活体光镊技术的瓶颈,进而实现动物活体环境下深层组织内的细胞操控和成像奠定了基础。论文中提出的一些新的技术和理念也可能在光学、生物医学以及临床医学等相关领域具有一定的潜在应用价值。