自旋角动量是基本粒子和场的一个基本的动力学物理量，它在光与物质相互作用中扮演着极其重要的角色。在光学研究中，光的自旋角动量与圆极化密切相关，通过研究光学自旋与物质或结构的相互作用产生了许多新颖有趣的光学现象和光学应用，并诞生了自旋光学这一新兴学科。过去的研究中，研究人员主要聚焦在与平均波矢方向平行的纵向光学自旋。近年来，科研人员通过研究限制场如聚焦波、导波和倏逝波等的自旋轨道耦合性质，发现了一类新型的光学自旋，这类自旋与平均波矢方向垂直，因此被称为光学横向自旋。横向自旋具有自旋动量绑定的性质，一经发现便受到研究人员的广泛关注。横向自旋的发现拓展了光学自旋轨道相互作用的内容，并在光学操纵、光学精密检测、手性量子光学和光学自旋拓扑态等领域具有广阔的应用前景。本文从理论、实验技术和应用3个方面详细介绍自旋光学的最新进展。自旋光学的理论概念和框架可为研究人员进一步开拓基于光学自旋在光学成像、光学探测、光通信和量子技术等领域的应用发挥巨大的作用，同时也可拓展到一般经典波场，比如流体波、声波和引力波等。

与宏观物体类似，光子等微观粒子也可携带角动量。光子的角动量包括自旋角动量和轨道角动量，两种角动量的共同作用产生了一种新型结构光束，即矢量涡旋光束。矢量涡旋光束具有各向异性的波面和偏振分布，提供了多种光场自由度，在量子技术、光通信、激光探测、激光加工、高分辨成像、光镊等前沿领域展现了巨大的应用潜力，吸引了国内外学者的广泛关注。高效地生成矢量涡旋光束，以及高精度地识别矢量涡旋光束的模式分布，是其应用的关键。本文简要回顾了国内外学者在矢量涡旋光束的生成与模式识别方面的研究工作，同时系统梳理了本文作者过去十年在该方面的研究进展，重点介绍了其相关代表性成果。

光同时具有自旋和轨道角动量属性, 它们分别与光的偏振和相位分布相关。在傍轴条件下, 光的自旋和轨道角动量在自由空间传输过程中是相互独立且各自守恒的。而在非傍轴条件下, 如紧聚焦或者散射光场中, 光的自旋与轨道角动量之间会发生相互耦合和转化。其中, 紧聚焦场中自旋与轨道角动量的相互作用由于广泛涉及光学捕获、显微和探测等应用领域, 近年来受到广泛关注。综述了紧聚焦场中自旋、轨道角动量理论计算方法, 自旋-轨道角动量相互作用与入射结构光场的关系以及最新的相关应用研究进展。

建立螺旋凹槽结构模型, 具有不同自旋角动量的光束入射到该结构后激发表面等离激元, 螺旋凹槽结构的螺旋性与光子自旋角动量耦合, 使得不同自旋偏振光激发的表面等离激元具有不同的强度分布.通过螺旋凹槽激发的表面等离激元的强度分布获得入射光的自旋角动量.利用有限元方法计算了左旋偏振光与右旋偏振光激发的表面等离激元在螺旋凹槽中心的光场强度比, 最大消光比达到168, 实现对光子的自旋角动量的检测.在数值仿真中, 分析了不同入射光波长的消光比, 入射光波长在600~740 nm范围内消光比高于50, 其中入射光波长为670 nm时的检测效果最佳; 此外, 研究螺旋凹槽结构参量对消光比的影响, 当凹槽宽度为200 nm,凹槽深度为70 nm, 匝数为2时, 消光比最大, 螺旋凹槽结构检测光子自旋角动量的能力最强.该研究可为集成光学中光子自旋角动量的检测提供一种新途径.

为优化双折射晶体微粒的旋转频率, 基于光致旋转技术对晶体微粒在偏振光自旋角动量作用下的转动进行了理论分析, 通过给定参数模拟了石英(SiO2)晶体微粒旋转频率与其厚度和激光有效功率的变化关系曲线。依此优化了光致旋转的实验装置, 并在此装置上对不同厚度的石英晶体微粒的旋转频率进行了测量。结果表明, 微粒的旋转频率与微粒厚度呈现周期性曲线变化关系, 并且旋转频率与有效激光功率成正比, 实验测得石英晶体微粒的最高旋转频率为9.2Hz, 与理论模拟结果基本吻合。该结论为光驱动微机械马达实现技术的进一步深入研究提供了基础理论和技术保障。