本论文对强飞秒激光在大气中传输形成等离子体细丝进行了系统研究.主要思路是从对实验诊断方法的研究出发,研究了等离子体细丝表现出来的一些非线性现象和内在的物理机制,进一步,从应用角度出发,对影响等离子体细丝应用的几种因素及其物理机制进行了探讨.首先我们形成了从几米到上百米的长等离子体细丝,使用和发展了五种以上的实验诊断手段对其进行了探测,包括声学诊断、电阻测量、荧光探测、横截面成像和阴影成像方法等,这是本论文的主要诊断方法.这些实验方法都比较好地从不同侧面反映了细丝不同方面的特征,在不同的情况下正确选择不同的探测方法,可以互为补充,提供更详细的细丝信息,为我们诊断细丝所表现出来的不同特性提供了实验手段.以此为基础,我们研究了细丝的空间演化,细丝呈现出一种复杂的演化过程:单丝逐渐演化成双丝,三个甚至更多的细丝,这些细丝又融合成双丝而稳定地进一步传输,最终消散.还同时使用荧光探测和声学诊断方法清晰地观测到了多次自聚焦现象.细丝辐射出转化效率高达0.3 %的三次谐波,观测到了三次谐波辐射随细丝传输距离的演化,并对等离子体细丝锥角辐射中的三次谐波成份的发散角进行了测量,发现其辐射角大约为6mrad,和理论计算得到的结果符合得很好.论文进一步从应用角度出发,对影响等离子体细丝应用的几种因素进行了研究.使用小孔实验装置对细丝分布进行了优化控制,细丝的数目、分布、传输距离以及空间稳定性都可以得到很好的控制.为了得到更长的等离子体细丝寿命,我们使用了两种方案对其寿命进行了延长研究.分别采用后续的飞秒和亚纳秒激光脉冲注入到等离子体细丝中,实验发现,当使用亚纳秒激光脉冲时,细丝寿命可以延长到微秒量级,结果远远好于飞秒激光脉冲作为后续脉冲的情况.对于飞秒脉冲强激光在空气中的远距离传输,通过改变激光初始啁啾,很方便地在更远距离处成丝,实现了细丝的远距离传输和细丝分布的优化控制,也得到了最优化的超连续光谱辐射.当使用具有合适初始负啁啾的脉冲时,观测到了彩环状的超连续辐射.研究发现激光脉冲的大部分能量都分布在细丝周围的背景中,作为一个能量库支持细丝的长距离传输,我们发现一个细丝周围的有效能量背景可以至少延伸到细丝直径10多倍的范围,这些使我们更深入地理解了细丝传输的动态物理过程.我们实验发现激光脉冲经过聚焦透镜所形成的细丝与激光脉冲自由传输的成丝具有迥然不同的特性.细丝的直径、强度、电子密度、长度、超连续辐射、稳定性以及细丝之间的相互作用都具有很大的区别.我们还进行了等离子体细丝诱导高压放电的初步研究,以及使用飞秒激光脉冲对槐树叶进行了初步的LIBS光谱分析,为进一步的研究奠定了基础.