自1995年A.Braun首次实验发现强飞秒脉冲激光大气传输伴随成丝现象以来，由于它巨大的潜在应用价值，科学界对此给予了高度的热情和关注，相关的理论和实验研究层出不穷。近年来，诸多国家和研究单位逐渐开展利用飞秒成丝进行大气探测和闪电控制等研究，甚至提出成丝有希望成为产生新的光源并将应用于激光雷达和荧光光谱探测的新的技术手段。　　 从实际应用的角度而言，人们更多的关注是高功率激光束的远程传输问题。一种普遍的认识是这种长距离成丝机制是源于高功率脉冲激光在空气中传输引起非线性折射率的变化而导致的自聚焦效应和激光诱发电离产生的等离子体的散焦效应之间的一种动态平衡。从理论上，已经建立的自通道模型、移动焦点模型和动态空间补偿模型能够从不同方面解释成丝的内在物理机制。然而，2004年G.Méchain等实验发现了在无电离通道产生的情况下激光依然能够传输2公里以上的距离，他们测得光束的峰值光强不超过1012W/cm2。随后Ruiz等也观测到了低于自聚焦阈值的无电离光孤子传输状态；基于数值模拟，非线性饱和平衡自聚焦现象也相继被报道。从某种意义上讲，已经成熟的成丝理论似乎受到了挑战。2009年，V.Loriot等首次测量了包括氮气、氧气和氩气等气体介质中的高阶非线性折射率指数，实验指出高阶非线性指数随着激光强度的增加会呈现出线性增长、饱和和反向的现象。P.Béjot等甚至指出等离子体是成丝过程中的一个“副产品”。　　 受启发于这些研究报道，我们主要以强飞秒脉冲激光成丝为研究对象，对等离子体通道的产生和演化以及高阶非线性在成丝过程中的作用进行详细研究。具体可以分为以下几个部分。　　 1.基于对强飞秒激光大气传输的非线性薛定谔方程的变分法，模拟研究飞秒激光大气传输成丝特性。研究了在考虑多光子吸收损耗与否的情况下，激光成丝状态的演化。研究表明：多光子吸收损耗会破坏自聚焦与等离子体散焦之间的动态平衡，进而引起成丝的不稳定性；在不同的入射功率下，成丝的起点位置会发生移动；在实验室条件下，Pin≥3Pcr时才可能形成多次聚焦成丝传输。在继续增加激光入射功率时，光束因强烈聚焦发生崩塌而成多丝结构。　　 2.采用能够较为清晰、完整描述强飞秒激光等离子体通道内带电粒子产生过程及其演化的物理模型，进一步研究了飞秒光丝中等离子体密度的时间演化特征。计算表明：不同时间线型的脉冲在等离子体通道形成过程中，氧气分子的电离贡献率及氮气子的贡献率具有明显的不同，而且不同线型的脉冲对高效维持高密度等离子体的寿命具有较大的影响。有效控制成丝脉冲线型能够达到对等离子体通道的高效利用。长脉冲、短波长虽能够获得较高密度等离子体通道，但其存活寿命却完全受限于通道的后期演化。选择注入不同的激光的形式和注入时间，对延长通道寿命有着截然不同的效果，适当优化的激光可以延长通道寿命达25μs以上。　　 3.在不计及等离子体散焦效应时，研究高阶非线性折射率和克尔自聚焦成丝过程。经典的自聚焦和多光子电离产生等离子体的散焦过程被取代为克尔自聚焦和高阶非线性共同作用。进一步深入地考察在成丝机制中是等离子体还是高阶非线性在起主导散焦作用，结果表明成丝过程中抑制自聚焦溃缩的不仅仅是光子电离，或许还有其他的潜在的光学机制在起作用。　　 4.利用3D模型，详细研究了高阶非线性作用下的脉冲传输的时空动态过程。进一步展现了非线性响应调制不稳定性引起的光学湍流的存在，这种光学湍流与先前报道的动态空间补偿模型中的“光学湍流”有着很类似的特性，而动态补偿模型中，等离子体电离在长距离成丝传输过程中是主要的散焦机制。研究表明克尔非线性效应不再只有导致光束溃缩(二阶克尔效应)的消极作用，其高阶克尔非线性项在维持高功率飞秒脉冲激光在介质中长距离传输时发挥着重要的作用。