气体具有很多独特的性质,是非常重要的一类非线性光学材料。飞秒激光在气体介质中的非线性传输是超快非线性光学的重要研究内容之一。近几年备受关注的低损耗、宽带空芯微结构光纤为研究飞秒激光和气体的非线性作用提供了有力的工具。一方面空芯微结构光纤为光和气体的非线性作用提供了充足的作用距离,另一方面充气空芯微结构光纤中灵活可调的色散极大丰富了飞秒激光的非线性传输过程。本论文主要研究飞秒激光在两种新型充气空芯微结构光纤中的非线性传输特性,包括高亮度的超连续光谱产生以及高效色散波辐射等过程。针对非线性应用,优化设计了一种新型的低损耗空芯光纤。本论文的主要工作概括如下:一、实验上利用充氩气的内摆线形Kagome光纤高效产生了紫外和近红外的双波长色散波辐射。通过调节输入参数,可获得波长在267 nm到460 nm范围内连续可调的紫外色散波。实验上在充氩气的Kagome光纤中,利用980 nm飞秒激光作为抽运产生了高亮度（1.69μJ）的超连续光谱（340-1550 nm）。二、创造性地将反谐振管模型应用到Kagome光纤的色散计算中,该模型可以较好地近似Kagome光纤的色散,比此前广泛使用的空芯玻璃波导模型具有更高的精度。反谐振管模型能够体现Kagome光纤包层薄玻璃壁的谐振效应,这种谐振效应会对Kagome光纤的色散产生显著影响。理论上利用单向载波传输方程以及反谐振管色散模型对双波长色散波产生的动力学过程进行了数值模拟,理论和实验结果吻合很好。三、设计了适合非线性应用的低损耗空芯反谐振光纤,并对这种新结构光纤的传输特性进行了系统研究。利用矢量有限元法系统优化了该光纤的传输损耗,并与之前提出的其他典型结构进行了对比。结果表明,本文设计的新结构在约束损耗以及单模特性等方面具有明显优势。四、实验上在空芯负曲率反谐振光纤中高效产生了窄带色散波,转换效率高达16%。利用这一结果,提出了四波混频产生宽带中红外激光的理论方案。并利用单向载波传输方程对该过程进行了模拟,模拟结果表明利用掺Yb的飞秒激光器作为抽运可产生2.3μm的中红外激光,四波混频过程信号光的转换效率为10%。五、详细推导了光纤中的单向载波传输方程。单向载波传输方程是处理脉冲真实电场的传输方程,其推导中没有用到慢变包络近似,具有较高的精度。利用单向载波传输方程能够模拟空芯光纤中光谱宽达多个倍频程的脉冲传输问题。