准确获取飞秒激光成丝横截面图像及其沉积能量空间分布信息，对于成丝动力机制研究和促进诸多基于光丝的实际大气应用发展具有重要意义。本文基于热传导方程和波动方程构成的光声信号前向仿真模型，理论模拟了利用环阵式光声层析系统接收飞秒激光在空气介质中成丝诱导产生超声脉冲信号的过程；然后，利用延迟叠加算法对飞秒激光大气传输成丝沉积能量横向分布图像进行了反向重建，并分析了测量系统中关键器件超声换能器的中心频率、带宽、表面尺寸和探测表面灵敏度等性能参数对光丝沉积能量分布图像重建结果的影响。结果表明，单丝诱导产生的声压脉冲信号频谱为单峰结构，而多丝声压脉冲信号频谱为多峰结构；相比于单丝图像重建，多丝图像重建受“孔径效应”影响更显著；换能器的性能参数对光丝图像的重建效果有显著的影响，换能器的带宽越大、表面直径越小，以及表面灵敏度系数越大，越有利于光丝沉积能量分布图像重建效果的提升。该研究结果可为真实大气条件下飞秒激光传输成丝沉积能量空间分布的实验测量提供一定的理论支撑。

强飞秒激光在大气中的成丝过程伴随着自聚焦、群速度色散和等离子散焦等非线性光学现象，对于研究激光雷达、新型光源、人工降雨、大气污染物探测、激光远程探测和激光遥感等具有重要意义。飞秒激光在大气中传输时，通常会由于大气湍流导致的空气折射率扰动以及飞秒激光初始能量分布不均匀而产生随机多丝现象，从而影响了光丝的能量分布，缩短了光丝的传播距离并降低了光斑质量，限制了光丝的实际应用。本文介绍了近20年来国内外有关多丝调控研究的进展，分析了调节入射光束的椭圆率、改变激光场强梯度、调制激光相位、引入像散等多丝调控手段，旨在为研究飞秒激光多丝调控提供参考。这些调控手段都能在一定程度上消除多丝产生的随机性，但仍然存在多丝分布控制精度不高、激光能量损耗偏大、激光传输距离不够远等问题。因此，对多丝的调控还有待更加深入的研究。

飞秒激光成丝表征是光丝调控及应用的基础，成丝过程中光、声和热信号之间丰富的能量转换效应为利用声学和光学等方法探索和诊断光丝打开了大门。由于成丝过程中声波和荧光辐射微观物理机制的区别，两种信号与光丝物理参数之间的定量关系存在差异，然而目前仍缺乏两种方法的准确性对比研究。基于此，实验上通过研究脉冲能量对光丝空间分布的影响，系统对比了声学及荧光法两种光丝表征方法的异同。结果表明：两种方法都可以实现对光丝空间特征的表征，相比于荧光法，声学法对光丝起始和结束位置表现出更高的灵敏度，光丝内自由电子动能对光场强度的依赖性是造成差异的主要原因。

超快激光在透明介质传输中会导致长程无衍射传输的成丝现象。伴随着丰富的非线性光学效应，激光脉冲光谱会被极大展宽，覆盖从微波到紫外的超宽范围，被称为超连续谱。飞秒光丝辐射超连续谱具有宽光谱、高方向性和可调谐等优势，在吸收光谱检测、远程气体检测、脉冲压缩和少周期脉冲形成等领域中具有重要应用，近年来被广泛关注，并取得一系列研究成果。基于此，围绕飞秒光丝辐射超连续光谱，从物理机制到调控方法，系统梳理了该领域的研究历程及最新进展。

高强度的飞秒激光在非线性介质成丝过程中会产生一系列非线性效应，如强场电离、转动拉曼、高次谐波、激射等，这些非线性效应与强场下分子的复杂运动有关。研究强场作用下的分子动力学问题将有助于更好地理解飞秒激光成丝过程中非线性效应背后的物理机制。综述了近年来飞秒激光在空气中成丝时主要分子动力学特性的研究进展，包括分子准直、分子电离、电子-离子复合以及分子能级的粒子数布居。最后对强场与分子相互作用研究所面临的机遇以及挑战进行了展望。

针对飞秒激光远距离成丝系统所产生的像差，基于光学自由曲面较强的像差补偿能力，提出了在飞秒激光成丝系统中使用透射式自由曲面相位板补偿系统像差的方法。首先，在光学设计软件中对实际系统像差特性进行了仿真建模。然后，对透射式自由曲面相位板进行了优化设计，优化后系统的像差得到了有效补偿，飞秒激光光斑质量得到了改善。最后，对优化设计后的自由曲面相位板进行了公差分析，并利用加工后的透射式自由曲面相位板开展了实验研究。结果表明，飞秒激光聚焦系统引入光学自由曲面相位板后，聚焦光斑形状规则，在聚焦位置处光斑的均方根（RMS）半径小于0.5 mm，飞秒激光成丝系统的像差得到了有效补偿，远距离飞秒激光的成丝强度得到了有效提高。

光丝内部的超高钳制光强可诱导大气中的原子、分子等发生隧道电离或多光子电离，并辐射指纹荧光谱。得益于其在复杂大气环境中能够远距离传输的特点，飞秒激光成丝在大气远程探测方面具有广阔的应用前景。光丝诱导物质荧光的空间分布特性与成丝过程中激光、等离子体等参数密切相关，对于理解光丝内物理过程及调控光丝、提升远程探测信噪比等具有重要意义。综述了光丝诱导荧光在侧向、背向及前向三个重要方位的空间分布的研究进展，详细讨论了基于侧向分布表征光丝内光强及等离子体分布的方法，以及实验条件对荧光空间分布的影响，并对放大自发辐射现象及前向、背向远场空间分布的研究进展进行了介绍。最后对飞秒激光成丝诱导荧光空间分布的研究趋势进行了展望。