早在1909年，Poynting就认识到光波具有自旋角动量。直到1992年，Leidon大学的Allen等人才认识到了光子也可以携带另一种形式的角动量—轨道角动量。利用光子的自旋自由度，人们可实现量子比特编码(qubit)；而光子轨道角动量的重要意义在于它可实现高维量子态编码(qudits)。2002年，Glasgow大学的Padgett小组实验演示了光子轨道角动量分离技术，指出以轨道角动量作为信息载体，可大大提高单个光子的通讯容量。另外一个突破是2001年Wien大学的Zeilinger小组实验演示了自发参量下转换产生的光子对具有轨道角动量纠缠的特性，从此轨道角动量在量子信息领域开始展现出诱人的应用潜力。至今，光子的角动量在许多方面都得到了重要的应用，包括光学扳手，冷原子操控，旋转Doppler效应，量子纠缠及量子信息处理等。但总体而言，对光子角动量的研究尚处于快速发展的阶段。其中角动量的非线性光学调控，及其在量子纠缠(包括单光子纠缠和超纠缠)与量子信息协议中的应用研究尚比较缺乏，特别是轨道角动量高维量子特性在量子信息领域中尚未得到充分的利用。　　 本论文主要将光子角动量与非线性光学，量子光学和量子信息等领域有机地结合起来，比较系统地研究了光子角动量的调控以及其在量子信息处理中的应用。本论文的主要内容和创新点如下：　　 一.基于二阶非线性光学效应的级联耦合波理论，系统研究了旋光效应，电光效应和磁光效应的交互作用。由该理论，我们不仅解决了“Handbook of Optics”上提出的如何利用石英作电光调制器的问题，还设计了基于旋光晶体的光子任意偏振态控制器。另外，我们提出了一种电场和磁场灵活操控的光学扳手。该可控光学扳手的工作被Nature China评述为最新研究亮点(Research Highlights)，编辑专文报道了我们的研究成果。该工作在论文第二章。　　 二.研究了单光子多自由度纠缠(自旋-轨道角动量-旋转Doppler频移纠缠)，并提出了基于旋转Doppler频移的光子分离方案。我们还首次提出利用Bell不等式的违背去验证单光子自旋-轨道角动量纠缠实验方案。该单光子自旋-轨道纠缠的思想最近已被意大利Naples大学Marrucci研究小组的实验所证实。另外，我们还利用电光调控聚焦高斯光束中自旋和轨道角动量的相互转化获得了单光子自旋-轨道角动量纠缠态。该工作在论文第三章。　　 三.提出利用干涉仪技术实现了轨道角动量依赖的自旋偏振操纵。基于Huffman树原理，我们提出了光子轨道角动量的多重自旋编码，展示了如何实现一个qubit网络和qudits网络的对接。该工作的意义在于实现光子角动量，光通信技术和计算机编码技术等的融合。该工作在论文第四章。　　 四.设计了单光子自旋-轨道纠缠态分析仪，理论分析发现光子自旋-轨道超纠缠可以显著增加量子信道的Shannon维度，这对提高量子网络的通信容量具有十分重要的意义。该工作在论文第五章。　　 五.设计了一个电场可调谐，自旋依赖的轨道角动量产生器，并首次将轨道角动量与量子隐形态传送协议相结合，提出了可控轨道角动量产生器的量子隐形态传输方案。这可望成为实现qudits量子协议的新方法。该工作在论文第六章。　　 六.我们实验观察了杨氏鬼影角衍射产生的轨道角动量谱，并验证了它来源于高维的轨道角动量纠缠态。物理界一直存在着争论，鬼影成像和鬼影衍射的根源究竟是经典的还是量子的?我们的工作，通过测量相应的Shannon维度谱，定量地展示了鬼影衍射的高维量子特性。该工作在论文第七章。