在量子层面控制光与物质的相互作用并实现该过程的精密测量是量子光学实验研究及其相关应用的核心目标之一。中性原子作为一个基本量子单元,为光与物质相互作用的研究提供了很好的平台。在自由空间中对中性原子的冷却与俘获及对单个原子,直至原子阵列的精确操控,为演示一些基本的量子操控和量子信息处理过程提供了较为理想的舞台,从而使基于中性原子体系的光与物质接口,作为链接光子与原子之间量子信息存储和交换的节点,成为一个重要的环节,并在实验上取得了长足的进展。这也使得光与中性原子相互作用系统在量子信息处理,非线性光学及量子计量等研究领域展现出广阔的应用前景。在把光子与原子相互作用系统应用到实际过程中,通过各种途径提高它们之间的相互作用强度至关重要。自由空间中单个原子的共振散射截面通常在波长平方量级,要实现光子与原子的高效耦合,需要对光子的空间局域限制到接近甚至突破衍射极限。传统实验方案往往需要构建复杂庞大的实验系统,在自由空间中对原子进行俘获及操控,相应地发展起来强聚焦光束探测,腔量子电动力学,冷原子系综及里德堡原子等多种实验方案。目前基于不同相互作用体系的实验研究均取得了显著进展。然而在上述方案中,并未真正解决光场模式体积的强局域化,不同耦合系统中均存在很难消除的光子损耗通道。得益于微纳加工技术的日趋成熟,利用微纳光子学器件束缚光子的实验研究在过去十几年时间里取得了长足进步。微纳光子学器件具备极佳的鲁棒性及可拓展性,其作为理想的光子操控器件,可以将光子局域在亚波长尺度范围内,大幅度减小了光场的模式体积。该系统与集成光量子器件和量子信息处理系统的对接相较传统系统具有很大的优势,从而使基于微纳光子器件与中性原子的混合系统最近几年得到了人们的广泛关注。同时由于微纳光子学器件的特殊结构及其模式电场分布与自由空间光场完全不同,这也带来了若干新奇的物理现象。纳米光纤波导是结构最简单的微纳光子结构之一,其直径通常为亚波长量级,可以在光纤横向对光场提供极强的束缚。此时分布在纳米光纤外表面的光场,即倏逝场,会得到显著增强。倏逝场分布在纳米光纤表面附近约半波长范围内,可以与原子实现较强的相互作用并实现高效耦合输出。目前实验上已经实现了基于倏逝场的单原子阵列俘获,这也使纳米光纤成为实现中性原子光接口的重要手段。作者所在实验室从最近几年开始进行基于纳米光纤与冷原子波导量子电动力学实验和理论研究。本文将会详细介绍实验室取得的工作进展。本论文的主要内容包括:1)理论上提出了一种结构简单的打孔纳米光纤,可以实现与单个偶极子的高效耦合。研究标明,打孔纳米光纤对单个在特定偏振下偶极子所发出荧光的耦合效率可以高达62.8%,对于三个偏振的平均耦合效率约为40%。相比于传统纳米光纤,耦合效率提高了将近一倍。此外我们还详细研究了此打孔结构的纳米光纤与原子的耦合特性,包括纳米光纤直径和孔直径的选取与偶极子位置及波长的关系,为更加复杂的周期性光子晶体结构的引入提供了重要参考。我们还讨论了该系统的实验可行性。2)实验上搭建了基于纳米光纤-冷原子耦合系统的相对完整的实验平台,包括纳米光纤拉制系统,超高真空系统,磁光阱系统及时序控制系统等。实现了铯原子的冷原子磁光阱,纳米光纤与冷原子团的高效耦合,利用纳米光纤收集到超过5×105 counts/s的冷原子荧光,并观察到磁光阱中冷原子团对纳米光纤传输模式光场的吸收与散射,吸收效率达到7%。3)搭建了双色偶极阱实验系统,并完成了纳米光纤表面附近单原子阵列的装载。实验中得到的单原子阵列可以实现对纳米光纤传输光场92%的吸收。我们还研究了单原子阵列的基本性质,包括阱中原子寿命以及其本征振动频率等。4)在现有实验系统的基础上,利用光外差探测系统测量了纳米光纤的机械振动模式,并利用外部调制实现了对纳米光纤机械振动的激发。我们将详细介绍光外差探测系统的工作原理以及实验中用到的不同光外差探测实验方案。在无外界激励的情况下,我们同时测量到了纳米光纤的弯曲模式,轴向模式及扭转模式。我们引入了机械激励及光激励两种方式来增强纳米光纤的机械振动,利用光力耦合过程实现了对纳米光纤特定频率弯曲模式的确定性激发。我们还讨论了两种激励方式的调制频率及激励方向对机械模式激发的影响。在理论上我们分别利用数值计算及解析计算方法,研究了纳米光纤的四种机械模式,得到了四种机械模式的本征频率并分析了不同机械模式的局域特性。