本论文从理论上对光束在均匀材料、光波导和Metamaterials(MMs)中的传播、操控及应用进行了系统的分析和研究。光束传播是整个论文的主线，基于这个主线，以均匀材料、光波导和MMs这几种材料为媒介，从光学微操控、集成光学器件到超材料近完美吸收器以及局域表面等离子共振生物传感的应用角度展开研究。主要研究内容包括：　　 1．本论文研究了一维艾里光束在均匀介质中的传播情况，并且从理论上模拟了它对瑞利尺度的电介质小球的光学梯度力和光学散射力，以及小球在艾里光束作用下的运动轨迹。艾里光束将粒子捕获到光强极大值处，然后将他们沿着抛物线轨道进行输运。环境介质的粘度以及小球受到的布朗运动力对小球轨迹的影响很大。另外，还讨论了捕获的势阱深度以及不同势阱能够捕获小球的最小半径，捕获的稳定性可以通过增大小球半径或者提高峰值光强强度来提高。　　 2．基于有限差分格式和局部一维格式，提出了一种条件稳定的高精度高效率的步长劈裂非傍轴光束传播方法(SSNP-LOD)来分析三维的标量波方程。在没有傍轴近似或单向传播近似下，将三维的标量波方程转化为两个二维的波方程组。利用这种方法模拟高斯光束在真空中的非傍轴传播以及导模在三维倾斜波导中的传播，通过和其它方法进行比较，验证了这种方法的高计算精度和高计算效率。　　 3．将步长劈裂的非傍轴光束传播方法(SSNP-LOD)拓展到三维的半矢量波方程中，通过模拟导模在三维倾斜波导中的传播，说明这种方法在求解半矢量波方程时，仍然具有很高的精度和计算效率。同时，说明这种方法不仅适用于沿一个横向倾斜的波导，对于沿两个横向都倾斜的波导中的光束传播，此方法仍然适用。　　 4．提出了一种MMs周期性金属微结构，应用有限元方法，模拟了它的反射谱、吸收谱和透射谱，实现了红外的双带近完美吸收器。通过调整周期单元长度，可以实现任意单带的完美吸收，在完美吸收处结构的阻抗和真空匹配。同时，还讨论了实现完美吸收的电磁机制。这个双带的近完美吸收器是偏振无关的，并且对于TE、TM偏振的平面波，入射角度在很大范围内，吸收峰值变化很小。将这个双带的近完美吸收器应用到局域表面等离子共振传感中，结果表明两个共振峰能够提高传感的灵敏度。同时，偏振无关和广角特性对于制作简单经济且精确的传感器十分有利。