光是一种电磁波,其物理属性包括能量和动量,其中动量可以分为线动量和角动量。角动量包括由偏振决定的自旋角动量、由光场空间分布决定的内禀轨道角动量和与光束传播轨道相对于参考点的位移有关的外禀轨道角动量。自旋和轨道角动量之间存在着耦合和转化,称为自旋-轨道相互作用(Spin-orbit interaction,简写为SOI)。SOI导致涡旋光束、光子自旋霍尔效应等现象的产生,在光学、纳米光子学和等离子光学等领域扮演越来越重要的角色,并在精密测量与探测、信息存储与处理、微粒操纵以及各种功能光子器件设计等方面显示出巨大的应用潜力。光束垂直入射至突变界面时,一部分光束发生自旋反转并获得拓扑荷数为±2的涡旋相位,即发生由自旋角动量向内禀轨道角动量转换的过程。虽然这一现象已有文献研究过,但涡旋相位产生的物理来源以及界面的性质在SOI过程中起到何种作用等问题仍不清楚。而且这种效应极其微弱,这也限制了它的实际应用。本文首先建立菲涅尔琼斯矩阵来描述这种SOI,进而揭示其产生的涡旋相位其实是一种自旋重构的贝里(Berry)几何相位。这种相位来源于光束本身的拓扑结构,而突变界面的性质影响自旋向轨道角动量转换的效率。从现象上看,与Pancharatnam-Berry(简称PB)相位元件产生的涡旋相位极为相似,两者都是由于SOI引起一部分光束自旋反转,并获得涡旋相位。不同之处,在于PB元件中的涡旋来源于材料外部的各向异性。一般情况下,转换效率极低。因此,基于上述理论,本文进一步提出采用光轴平行于界面法线方向的单轴薄层材料,来极大地增强这种SOI。基于上述理论,进一步发现傍轴光束在单轴晶体中传播时,产生的涡旋相位也是一种自旋重构的贝里几何相位,单轴晶体的各向异性影响涡旋转化的效率。我们发现,单轴晶体能极大增强涡旋的转换效率,甚至达到100%。本文的研究不但为上述SOI系统建立了简洁明晰的理论框架,而且揭示了现象背后的物理机理,并进一步给出了增强这些SOI效应的可行方案,为未来的潜在应用指明了方向。