本论文对飞秒激光在非线性介质（主要是空气）中传输时的成丝现象及其伴随的非线性效应进行了研究。当超强飞秒激光脉冲在空气中传输时,由于克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应之间动态平衡,会形成一定长度的高强度等离子体细丝。伴随着细丝的传输,还会有超连续白光、三次谐波、太赫兹辐射和空气激光等非线性效应。因此,飞秒激光成丝及其伴生效应的研究不仅有助于了解其中的物理机制,还能指引其在激光引雷、微波波导、远程探测等领域的应用前景。首先我们在实验室使用透镜预聚焦的方式在空气中形成了几厘米到几十厘米的等离子体细丝,而在室外则通过自由传输成丝的方式形成了几十米的等离子体细丝。我们通过调节激光的能量、聚焦方式和啁啾等控制飞秒激光成丝的位置和长度。而等离子体细丝的诊断方法,不仅包括传统的等离子体诊断方法,如阴影成像法、横向干涉法、荧光测量法等,还根据等离子体细丝的特点发展出电导率法、THz散射法、微波阻断法等。实验中,我们主要通过侧面成像法、荧光测量法、电导率法、电磁感应法等对等离子体细丝进行了诊断。其中,电磁感应法是我们在标准电导率法的基础上,结合B-dot探测,研究和发展出来的单发测量光丝电子密度衰减时间特征的方法。论文进一步研究了成丝参数的调制:利用一台少周期飞秒激光器,研究了载波包络相位对等离子体细丝电子密度的调制,调制深度达到20%;通过自行搭建的激光器产生脉冲序列以延长等离子体细丝的寿命,并得到准稳态的等离子体细丝,我们通过数值模拟对其中的机制进行了解释;利用TW飞秒激光形成了超过30 m的等离子体细丝,我们标定了其电子密度在10¹¹/cm³量级。飞秒激光成丝的诊断在于了解等离子体细丝的形成、传输及其特征,而等离子体细丝的调制对其实际的应用有很大作用,比如激光引雷,就对等离子体细丝的长度和寿命有很高的要求。远程探测是飞秒激光成丝的另一个重要应用前景。我们研究了成丝过程中的三次谐波、THz辐射和空气激光效应。利用圆偏振双色泵浦束,我们得到了强度和偏振可调的圆偏振三次谐波。由于这些伴生辐射能够在飞秒激光远距离成丝时产生,因此研究其产生机制,强度和偏振调控等特征对其在远程探测方面的应用有重要意义。