强场超快激光与物质的相互作用，突破了传统的（即符合微扰理论的）非线性光学的框架，开辟了以非微扰相互作用为特征的极端非线性光学这一全新学科领域。极端非线性光学中，光与物质（典型如原子、分子、凝聚态等）间的相互作用均发生在电离阈值附近的光强条件下（在此基础上如进一步提高光强，物质体系将在强光场中被迅速电离破坏，形成等离子体）。在这一特殊的光强条件下，光与物质，特别是原子、分子的相互作用导致了一系列崭新现象的发生，包括高次谐波产生、非序列双电离、超快非线性成丝等。因此，近二十年来，极端非线性光学已成为当代物理学，特别是非线性光学领域中的研究前沿。　　 由于在上述的极端非线性相互作用中，物质对象对光场的响应尤为敏感且具有非微扰、高度非线性等特性，因此控制光场的时空特性显得尤为重要。当前，利用时空特性精密操控的强场超快激光进行强场物理的研究是该领域的前沿热点，并已经产生了一批重要的新原理、新技术和新发现，如产生脉宽仅为80阿秒的单阿秒脉冲等。　　 本论文工作瞄准时空特性受控强场超快激光作用下的极端非线性光学这一物理前沿领域，重点发展并利用新的光场操控手段，着重解决高能量强场激光脉冲驱动的高次谐波与阿秒脉冲产生，以及非线性成丝中的关键科学问题，如利用单色场多周期长脉冲激光直接驱动产生高强度单阿秒脉冲、突破飞秒激光成丝中的“强度钳制”效应等。特别是本论文首次将时-空聚焦这一全新的光场操控技术用于超快非线性成丝的研究，在大能量短脉冲条件下(10mJ，～50fs)有效提升了光丝中的钳制光强，并进而成功地提高了飞秒远程探测的灵敏度。我们预期，进一步的后续研究还将推动这一新技术在强场物理的其它重要研究分支中获得重要应用。　　 本论文的主要工作内容和创新性成果如下:　　 1.首次采用高能量多周期激光脉冲与物质相互作用过程中诸多非线性效应诱导的泵浦脉冲时空整形，直接产生高亮度的光子能量从35eV到50eV的极紫外超连续谱。该连续谱可支持的最短傅里叶变换极限脉宽为271阿秒，通过对经过气体盒子的激光脉冲进行时间空间特性的分析，表明传输效应在极紫外超连续谱产生中起重要作用。该工作与传统产生单阿秒脉冲方案相比，实验装置简单，对激光器系统要求低，为产生高亮度单阿秒脉冲光源开辟了新方法。　　 2.首次将时间-空间聚焦技术应用于飞秒激光成丝中，通过改变入射激光脉冲的时空特性，不仅有效地控制了光丝的形态，将光丝的长度缩短了约25倍，而且进一步提高了飞秒激光成丝中的钳制光强，与传统聚焦方案相比，时间-空间聚焦技术可将光丝内的峰值光强提高30％。　　 3.首次成功地将飞秒激光的时空-空间聚焦技术运用于远程成丝诱导击穿探测中，在22m远处的铁材质固体靶上成功观测到荧光信号的五倍增强，为提高远程探测的灵敏度和信息量提供了有效途径。　　 4.采用单原子模型对双色激光场产生高次谐波进行数值模拟，从理论上验证了通过对高次谐波产生过程中电子隧穿电离和加速行为的精确控制，从而影响高次谐波的量子轨道，最终利用脉宽仅为3.5飞秒的近红外激光及其频率失谐的倍频场构成的双色场，实现光子能量从80eV到100eV可调的连续谱输出，这种中心波长可调的单阿秒脉冲在阿秒泵浦-探测技术中有极大应用价值。