光的自旋-轨道相互作用是指光的自旋角动量和轨道角动量之间的相互作用, 它存在于反射、折射、散射、衍射、聚焦等基本的光学过程中。在传统大尺度量级的经典光学中可以忽略自旋-轨道相互作用的影响, 但在亚波长尺度下, 自旋和轨道角动量之间会发生强耦合。对光的自旋-轨道相互作用的基本起源和重要应用进行了综述。首先, 介绍了光的自旋-轨道相互作用的两个重要基本概念: 光子角动量和几何相位理论。其次, 分别介绍了自旋-内禀轨道角动量和自旋-外禀轨道角动量两种相互作用的基本原理。然后, 重点介绍了光自旋-轨道相互作用的研究进展以及代表性应用。最后, 对光自旋-轨道相互作用相关研究面临的挑战和未来的研究方向进行了展望。

光子自旋霍尔效应是一种潜在的精密测量工具，在探测微结构材料结构参数变化的研究中具有重要的物理意义。基于光子自旋霍尔效应的弱测量模型研究了纳米金属薄膜中的光子自旋霍尔效应，研究结果表明当弱测量中放大角取相应的特殊值时（即最佳弱测量点），纳米金属薄膜中光子自旋霍尔效应的放大后横移值可达到最大，大大提高了光子自旋霍尔效应的探测精度；在最佳弱测量点得到的放大后横移可以更精确地推断出金属薄膜的实际厚度。实验结果与理论分析符合较好，该方法为研制基于光子自旋霍尔效应的精密测量工具提供了理论与实验基础。

基于平面波角谱理论研究了利用轨道角动量操控光子自旋霍尔效应中的非对称分裂。以光束在空气玻璃界面反射为例，建立了描述涡旋光束的光子自旋霍尔效应的传输模型，发现左旋和右旋圆偏振分量的横向位移是关于入射面不对称的，其中两个自旋分量位移的大小和方向是由涡旋光束的拓扑荷数所决定。轨道角动量诱导的非对称分裂可以看成是两自旋分量相对于入射面的整体偏移，这个轨道偏移本质上可以看成是线偏振涡旋光束的伊姆伯特费多罗夫(Imbert-Fedorov)效应。这些现象的物理机制归结于界面处的自旋轨道相互作用和轨道轨道转换，且与高斯光束所对应的对称分裂略有不同。研究结果表明轨道角动量为操控光子自旋霍尔效应提供了一个可选择的自由度。

理论研究了光自旋霍尔效应(SHEL)中的自旋角分裂现象。通过建立平行和垂直偏振两种情况下光束由玻璃到空气界面的全内反射传输模型，揭示了光自旋霍尔效应中的自旋角分裂与入射角、偏振态以及光束传播距离等因素的定量关系。研究发现只有当入射角大于全内反射角时，角移才会出现，且角移会随着入射角的增大而减小，同时随着光束传播距离的变化而变化。在垂直偏振光入射情况下，由于自旋角分裂的影响，横移会发生反转。光自旋霍尔效应中的自旋角分裂现象可以用菲涅耳反射系数平行与垂直分量相位差的变化来解释。预测光束在损耗介质和多层纳米结构中传输时也存在类似的自旋角分裂现象。

从经典电动力学出发，研究了由折射率梯度导致的反转光自旋霍尔效应。通过分析光从光疏介质入射到光密介质和从光密介质入射到光疏介质两种情况，揭示了光自旋霍尔效应中的横移与偏振态、折射率梯度以及入射角等因素的定性关系。当入射角一定时，光从光疏介质入射到光密介质时的水平偏振横移绝对值大于垂直偏振横移，而从光密介质入射到光疏介质的情况正好与之相反，并且传输场的横移方向取决于折射率梯度方向，增大入射角能明显增强光自旋霍尔效应，对某一特定的线偏振光束，其左、右旋圆偏振光分量的横移等值反向。这些研究结果为调控光自旋霍尔效应提供了有效途径。

从理论上和实验上研究了转换反射中光自旋霍尔效应的自旋堆积方向的方法，建立了描述光束在空气棱镜界面反射的自旋堆积模型，揭示了横移与光束入射偏振角的定性关系。研究发现，当入射角小于布儒斯特角时，随着入射偏振角的逐渐增大，自旋堆积的方向发生反转。而当入射角大于布儒斯特角时，自旋堆积的方向不再随入射偏振角的变化而反转。结果表明，在光束入射角为确定值且小于布儒斯特角的情况下，可以通过调控光束的入射偏振角转换自旋堆积的方向。转换自旋堆积方向的研究为有效调控光自旋霍尔效应提供了新的途径。

研究了光束在空气与电介质分界面传输产生的自旋霍尔效应，揭示了光束重心横移分别与偏振态、折射率差以及入射角三者之间的定性关系。研究发现各光场横移都随偏振参量增大而增大，左、右旋椭圆偏振光的横移等值反向，圆偏振态下的横移比椭圆偏振态下的横移大。改变折射率差的大小，反射光横移随折射率差的增大而减小，但当折射率差接近零时，反射光场横移消失。折射光横移随折射率差的增大而增大。反射光横移随入射角的变化存在极值点，而折射光横移随入射角的变化呈单调性。研究光自旋霍尔效应横移的影响因素可为调控和增强光自旋霍尔效应提供理论依据。

利用角谱理论, 分别研究了高斯光束在空气与负、近零、超大折射率超常材料界面上的反射光束角移现象, 揭示了光束角移与传统古斯亨兴位移和伊姆伯特费多罗夫位移的联系与区别。研究发现, 光束角移随着折射率及损耗的减小而增大; 在负折射率介质界面, 角移可能抵消负的古斯亨兴位移, 从而导致光束的纵向位移为正。此外, 在近零折射率超常材料界面, 在较大范围内不存在横向角移, 而在极大折射率超常材料界面, 横向角移极小。因此, 零折射率和超大折射率超常材料可以用来避免反射光束角移导致的角色散。

建立了左手材料中拉盖尔高斯光束传输模型,通过研究拉盖尔高斯光束的相位分布来分析光束的强度旋转特性。具体分析了光束参数模式、Gouy相、频率和色散对光束强度和相位旋转特性的影响。研究发现:方位角相差是导致光束强度旋转的主要原因;负折射率引起的逆的Gouy相移将会导致光束强度反转;在正常色散区左手材料中光束的强度和相位旋转方向是相同的, 而在反常色散区, 左手材料中光束的强度和相位旋转方向是相反的。

从麦克斯韦方程组出发, 结合超常介质的特殊性质, 分析了电磁波在一种具有线性色散关系的各向异性超常介质中的传播特性。在线性色散关系的情况下, 得到了超常介质的介电张量和磁导率张量各元素之间的条件表达式。根据能量守恒定律和电磁场的边界连续性条件, 在横电波(TE)和横磁波(TM)入射时, 分析了折射波矢和能流与入射波矢和能流方向之间的关系。发现无论是TE波还是TM波,在这种介质中传输时, 都产生了光准直的现象, 且TE波和TM波的传输方式是相反的。