当一束线偏振光经过不同介质构成的界面时,自旋方向相反的光子会在垂直于入射面的方向发生横向偏离,从而分裂成两束圆偏振光,这种现象就是本论文将研究的光子自旋霍尔效应。该效应可以认为是电子自旋霍尔效应的光学版本,此时折射率梯度替代了外场的作用,而圆偏振光的左旋、右旋分量扮演了自旋电子的角色。究其根本,光子自旋霍尔效应是光子自旋角动量和轨道角动量耦合的结果。光子自旋霍尔效应与折射率梯度密切关联,因此该效应被认为是一种潜在的精密测量工具,有望在测量材料结构参数微小变化的方面发挥重要作用。近些年,光子自旋霍尔效应也被用于光学传感器的设计之中,为传感器灵敏度的提升开辟了新天地。以往的研究表明,光子自旋霍尔效应是一种弱效应,其产生的横向偏移非常小,一般为几个波长的量级,甚至更小,这极大地阻碍了其应用。因此,如何增强和调控该效应成为科学家研究的热点问题。目前,多种效应可被用于增强光子自旋霍尔效应,比如布儒斯特角、表面等离子共振效应、光隧穿效应等。近年来,二维原子晶体的涌现为光子自旋霍尔效应的增强和调控提供了新的契机。对于二维材料中的“明星”—石墨烯,前人研究结果发现:利用其方便可调的费米能级,可以对光子自旋霍尔效应进行有效地增强和调控。基于以上认识,本论文的研究重点为石墨烯基多层结构中反射光和透射光自旋霍尔效应的增强和调控方面,并探讨了基于光子自旋霍尔效应的折射率传感器,取得了以下创新性研究成果:（1）提出了一种灵活调控单层石墨烯基材料中光子自旋霍尔效应的新方法—外加光泵浦。光泵浦透过棱镜作用于棱镜-单层石墨烯-空气层-衬底结构中的单层石墨烯上。通过调节光泵浦功率,可有效控制单层石墨烯的光电导率和该结构的菲涅尔系数,最终实现光子自旋霍尔效应的调控。我们还发现存在最佳光泵浦功率,它可以使得该结构在H偏振光对应的自旋偏移量可以达到其上限（即入射光束腰的一半）。这归因于单层石墨烯光电导率实部的零值以及由此导致的不同偏振态菲涅尔反射系数的大比率。这一发现为自旋光子器件的调控提供了崭新的自由度,该方式具有灵活易操作、不局限于特定介质材料和特定工作频率的特点,这有利于其在不同的实际应用中发挥作用。随后,在该研究的基础上提出了一种基于石墨烯光泵浦自旋霍尔效应的折射率传感器,并将其应用于癌细胞的检测。通过理论计算发现基于光子自旋霍尔效应的折射率传感器不仅可以区分多种正常细胞和癌细胞（胃、肝、表皮细胞）,而且对不同浓度癌细胞混合液也具有极好的检测效果。该折射率传感器的灵敏度非常优异,与基于共振光隧穿效应的传感器相比,其灵敏度提升了四个数量级。最后,探讨了不同的光泵浦功率对传感器灵敏度的调制作用,结果表明光泵浦功率存在着两个特征值,当光泵浦功率取这两个特征值时其强度灵敏度可达到较大值。基于光子自旋霍尔效应的折射率传感器将在生物医学、药物筛选、早期癌症诊断等方面具有广阔的应用前景。（2）设计了一种由单层石墨烯和SiO2气凝胶周期性交替排列的一维光子晶体结构,实现了太赫兹波段透射光可观的自旋霍尔效应。结果表明:单层石墨烯的加入可显著增强光子晶体结构的自旋霍尔效应;从菲涅尔系数的角度分析,透射系数的相位对透射光自旋霍尔效应的增强起着决定性的作用。石墨烯-SiO2气凝胶光子晶体中透射光较大的自旋偏移量主要集中在太赫兹的两个区域（低频区和高频区）。其中,低频区光子自旋霍尔效应的显著特征为广角、宽频,且自旋偏移量受光子晶体周期数和石墨烯费米能级的影响比较大。高频情况下,透射光的自旋位移随着光子晶体周期数的增大而显著增强。该研究发现,无论是低频区还是高频区,光子晶体周期数和石墨烯费米能级的合适选取,均可实现对石墨烯-SiO2气凝胶光子晶体透射光自旋霍尔效应的有效调控。（3）探讨了棱镜-单层石墨烯-空气层-衬底四层结构中反射光自旋霍尔效应的宽带特性,并详细分析了其自旋偏移量随入射角、空气层厚度以及石墨烯费米能级的变化关系。对于不同的入射光频段,通过优化空气层厚度和石墨烯费米能级,均可实现布儒斯特角附近反射光的巨大偏移量,展现了石墨烯基结构中光子自旋霍尔效应的宽带特性。其中,红外和可见光波段的布儒斯特角在33.5°附近,而太赫兹波段所对应的布儒斯特角相对较大,且该角度并随着入射光频率的降低而急剧增大。但是,不同的入射光频段下,自旋偏移量随石墨烯费米能级的变化趋势是不一致的,这归因于石墨烯光电导率在不同入射波长处对费米能级的灵敏度不同。这种单层石墨烯基多层结构中反射光自旋霍尔效应的宽带特性,为宽带自旋光子器件的开发提供了理论基础。（4）研究了单层石墨烯的插入对由平衡损耗和增益组成的宇称-时间对称系统中相干完美吸收（CPA）-激光模式和其透射光自旋霍尔效应的影响。结果发现,单层石墨烯引入后,系统中仍然存在着CPA-激光模式点,因为该点处菲涅尔透射系数相位的突变,透射光自旋偏移量在CPA-激光模式点处发生了正-负值的转变,且该点附近自旋偏移量可达到极大值。随后研究了石墨烯的费米能级对透射光自旋霍尔效应的调制作用,当石墨烯费米能级较大的情况下,获取强光子自旋霍尔效应所要求的系统厚度将会降低,这为光子自旋霍尔效应器件的小型化提供了新的手段。