该论文包括飞秒激光技术和超短超强激光脉冲在大气中的传播两方面的研究内容.在飞秒激光技术方面,我们设计了一台连续激光532nm泵浦的全固化腔倒空克尔透镜锁模激光器.在4.5W泵浦功率下,得到了单脉冲能量85nJ,峰值功率达4.5MW的稳定的锁模脉冲输出,测得最短脉冲宽度达到18fs,最低重复频率为20kHz.在此基础上,进一步建成了一台结构紧凑,具有较高的稳定性的实用器件样机.论文的主要内容集中在超短激光脉冲在大气中传播的基本原理和实验研究上.首先,对超短激光脉冲在大气中传输的物理过程进行了理论分析,并且提出了理论模型.通过理论分析,发现由于介质的非线性自聚焦和等离子体的散焦相互作用,使激光脉冲在大气中能产生很长的等离子体通道.实验上,利用该组建造的极光Ⅱ号超强超短脉冲激光装置,在80mJ的激光输出能量下,观测到了长于几百米的等离子体通道.同时对等离子体通道的特性进行了研究,利用干涉法测量到通道的电子的密度最大达到10<18>/cm<3>,对应通道的电阻率小于1Ω·cm.另外,利用阴影法对细丝形成的动态过程进行了研究,观测到了细丝的精细结构,以及细丝分裂和融合的过程.在理论上,提出了两种不同的机制来解释通道的不同分裂情况.等离子体的散焦是形成多丝的原因,而强度调制是形成精细结构的主要原因.我们对电子在通道内的时间演化过程进行了理论分析,在理论上提出了可以大幅度延长等离子体通道寿命的方法,利用双脉冲或附加脉冲的方法来延长等离子体通道的存活时间,并在实验上得到了等离子体通道的存活时间可以提高一个数量级的较好实验结果.最后我们研究了激光脉冲在大气中传播产生的其它非线形效应.例如,发现了激光脉冲在大气中可以产生超连续辐射、锥角辐射以及谐波辐射.在实验中观测到了大于0.12﹪的转换效率的三次谐波辐射.主要是因为超短脉冲在自导引的传播下刚好能满足谐波的相位匹配条件,因此可以大大地延长相互作用长度.