由于微纳加工工艺技术的提升,光力学系统作为超精密测量工具和实验平台越来越受到人们的关注,并且被广泛应用于精密测量、宏观量子态的制备以及量子基态冷却等领域。光学悬浮纳米颗粒系统作为一种新颖的光力学系统,因为具有高品质因子和易组装性越来越受到人们的重视。基于这些特性,该系统被人们应用到许多重要问题的研究,例如布朗粒子瞬时速度的测量、基本热力学定理的验证等等。本论文将基于光学悬浮纳米颗粒系统,利用该系统的高品质因子和易组装特性从光学精密测量和量子态冷却等方面展开研究。利用光悬浮纳米颗粒系统和最新的位置探测技术,人们实现了对布朗粒子瞬时速度的测量。受到该研究的启发,我们提出了利用光学悬浮装载有自旋的纳米颗粒来实现对磁场梯度的测量和单自旋的测定。我们研究了由于磁场中自旋随机翻转引起的纳米粒子位置涨落和由于残余空气分子碰撞引起的纳米粒子位置涨落之间的比值,并提出当该比值大于1时,自旋随机翻转引起的位置涨落将能够被显著地探测到。以此理论分析为基础,我们提出了并数值验证了利用光学悬浮铁磁纳米颗粒来探测磁场梯度的实验方案,同时我们也提出和验证了探测单自旋的实验方案。光学悬浮的纳米颗粒,一般被认为是球形的,但是实际上微纳颗粒都具有不规则形状。光学悬浮椭球形纳米颗粒系统的扭动模和平动模的实验报道为我们研究光学悬浮纳米椭球颗粒系统提供了实验基础。我们系统地研究了被激光光束悬浮的纳米椭球系统的扭动模的双稳行为和非线性特性。通过将扭动模的势能展开到关于扭动角度的四阶项,我们发现扭动模的非线性不依赖于激光功率和激光形状,只依赖于纳米椭球的转动惯量。在此基础上,我们继续研究了扭动模的双稳特性并且发现只有驱动激光的频率为红失谐频率时,系统才会表现出双稳特性,如果为蓝失谐驱动频率,系统则只会表现出单稳特性。在单稳区域,我们详细地研究了扭动模的压缩特性,提出了利用该特性实现对扭动角度和扭动角动量的精密测量的可能。光学悬浮的纳米椭球颗粒不只有扭动模,还具有平动模。扭动模和平动模之间具有耦合效应,因此考虑两者之间的耦合效应对研究光学悬浮纳米椭球系统是必须的。在此基础上,我们继续研究了光学悬浮纳米椭球的扭动模和平动模的非线性效应以及两者之间的非线性耦合。通过展开扭动模和平动模的囚禁势,我们推导出了扭动模和平动模的非线性效应及其两者之间的耦合。通过稳定性分析,我们发现只要对两个运动模式中的任意一个施加红失谐驱动,系统便会表现出双稳乃至多稳特性。当且仅当两个运动模式的驱动频率都为蓝失谐的情况下,系统才会表现出单稳特性。在单稳区域,我们提出了利用扭动模来冷却平动模的协同冷却方案,并且发现这两个模式的匹配的驱动幅度和合适的系统真空度将有利于协同冷却的实现。结合反馈冷却的方法,协同冷却的冷却效率得到了有效提高。