光镊是一种基于光捕获效应的微观微粒操作工具,这一理念是在1986年由美国贝尔实验室的科学家Ashkin等人提出。由于在使用光镊技术对微纳米量级的微粒进行操作时,是一种非入侵式的操控（非接触式）,所以对生物活体细胞或是微颗粒本身不会产生接触式的伤害。加之生物活体细胞对红外光波具有很好的透射性质,这使得光镊技术在生物及医学领域中有着不俗的表现。光镊技术的作用不仅仅只在操作和控制方面,在其工作过程中不但可以对被捕获的微粒的状态进行监控,更可以利用其本身特性构造成各种传感器。随着光镊技术的不断革新与发展,光镊技术将不仅仅局限于操作功能上,而是应用于更加宽广的领域之中。本论文在结构最简单的锥形单光纤光镊基础上,利用模式复用以及波分复用技术令一根普通的单光纤光镊同时具备多种功能。此技术旨在升级原有的单光纤光镊技术,在其原有的系统上增添一些设备便可以轻易的实现。在没有增加过多成本的同时实现了单光纤光镊的多功能化,使其在未来的应用与推广中获得更多的重视。而且文中所述的基于模式复用以及波分复用的光捕获技术还可以广泛的应用于其他领域。本文研究了锥形单光纤光镊所具有的捕获能力,利用FDTD的方法对其光阱力及其捕获能力进行了较为详尽的分析,其中包括被捕获微粒的折射率与尺寸对捕获能力的影响,以及不同波长对捕获效果影响。通过联合对光纤光镊出射光场的计算与光阱力和光致扭矩的计算,获得特殊形状微粒受到单光纤光镊对其产生的扭矩模型。利用1310nm单模光纤拉制多模耦合器。对于模式复用技术所使用的LP₁₁模式进行了系统的研究,其中包括如何激发LP₁₁模式;如何选择LP₀₁模式与LP₁₁模式在光纤中的功率比;以及如何控制LP₁₁模式的出射光场。本文首次提出了利用耦合器将两个来自不同光源的不同模式耦合入一根单光纤光镊中进行联合使用。文中利用两个可以独立控制的光场,对一个或多个微粒进行多种形式上的控制,包括偏转及旋转。文中仅对LP₀₁模式与LP₁₁模式进行应用,而在未来的研究中,两个或多个相对独立的光场可以由任意模式或分光比构成,这类似于在一根单光纤光镊同时集成了多根可以分别控制的光纤光镊,这使得其可以实现更为复杂、更为精细的操作。建立波分复用系统,将多个波长的光波耦合到光纤探针中用于捕获。通过实验对锥型单光纤光镊使用不同波长时产生的光捕获力进行标定,在标定实验中发现单光纤光镊在使用1480nm波长时并不能有效的捕获微粒。由于水溶液对各个波长光波的吸收率有所不同,而在波长1500nm附近具有一个较大的吸收峰。当单光纤光镊使用1480nm波长时,在光纤探针前端形成一个明显的温度场。在对自然流场进行详细的分析后,建立仿真模型进行仿真计算,获得温度梯度场及流速场。通过利用光制热效应以及热对流效应,使得1480nm波长的光波区分于其他光波,具有独特的作用,如弹射、清扫、聚集等功能。本文利用模式复用系统以及波分复用系统建立了两种微粒弹射系统。利用这种弹射系统可以进行一些物理量的测量,通过使用F-P干涉原理获得被弹射微粒的运动状态信息,再通过被弹射微粒的运动状态信息获得液体粘滞系数,最后通过液体的粘滞系数可以获得液体当前温度信息。