空心光束具备很多新颖且独特的特征,比如桶状光强分布、螺旋波阵面、中心相位奇异、自旋角动量和轨道角动量、暗斑尺寸小和无加热效应等。这些新颖的物理特征使得空心光束在激光冷却和囚禁、光学镊子、微观粒子(生物细胞、原子、分子和电介质粒子)操控等方面具有广阔的应用前景,因此空心光束吸引了众多科研工作者的研究兴趣。而在空心光束中有一个更为特殊的光束种类,引起了人们的广泛关注。这种空心光束在传播方向上具有非常小甚至零光强的三维闭合区域。该区域的周围是高强度的光场分布,像一个特殊的密闭空间,我们称这类激光束为局域空心光束(bottle beam)。近年来,由于局域空心光束具有三维封闭的暗空心区域和极高的强度梯度的特点,在粒子俘获和光学微操作领域得到了广泛的应用。因此,如何简便地获得合适尺寸的局域空心光束成为近年来的研究热点。本论文对局域空心光束的设计产生及捕获粒子进行了一定的研究分析,设计更加简单高效产生局域空心光束的光学系统,并利用COMSOL和MATLAB软件对局域空心光束捕获碳纳米团簇粒子进行相关光镊作用力分析。本论文的主要研究工作可划分为以下几个方面:(1)采用半导体激光变发散角整形设计,并结合轴棱锥-透镜系统聚焦,获得单光束可调谐局域空心光束,并对局域空心光束的尺寸可调谐特性进行了研究分析。(2)为了拓宽局域空心光束与其他测量技术结合,进一步改进了局域空心光束的产生方式,采用双光束设计形成局域空心光束。两束光分别通过设计的双轴锥透镜产生空心光束,并结合设计的抛物环形曲面镜聚焦,组合形成复合局域空心光束的俘获光束。(3)结合单光束光阱系统的简单性和双光束光阱系统的稳健性,采用共焦光束设计产生局域空心光束;共焦设计提供了更好的捕获稳定性,更少的占用空间及更长的工作范围。(4)分析了像散椭圆高斯光束对局域空心光束的影响。研究了不同离心率的椭圆高斯光束为入射光时,轴棱锥-透镜系统形成的局域空心光束的中心衍射斑与光束形貌演变过程。(5)以双光束局域空心光束为例,研究局域空心光束的光镊技术捕获特性。结合COMSOL与MATLAB软件,研究了局域空心光束对碳纳米团簇粒子的捕获作用力与捕获特性分析。