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最近几年,强飞秒激光聚焦到气体中产生气体等离子体过程被广泛研究,在强太赫兹(THz)的产生和超宽带THz相干探测等方面极有应用前景。和通常的THz时域光谱系统中常用的固体源和探测器不同,比如电光晶体和光电导天线,气体介质没有声子共振和吸收。作为THz源,它能够通过复杂的气体等离子体的非线性过程向外辐射峰值强度高达MV/cm,光谱范围完全覆盖0.1-10THz的THz脉冲。而作为探测器,它的探测带宽可以达到和探测激光脉冲同样的宽度。此外,气体介质具有成本低廉的优势,且几乎不会被损伤,适合超强超宽带THz脉冲的产生和探测。围绕气体光子学超宽带THz波产生、探测和应用,本论文分为如下四个主要部分：第一部分第一到第二章介绍了THz技术应用和THz气体光子学的发展以及基于激光诱导气体等离子体的THz产生过程的理论模型。第三章基于广泛使用的瞬时光电流模型,对双色双脉冲THz产生过程进行了理论分析和数值模拟,也发现了预脉冲的压抑现象,结果和实验非常吻合。另外,双脉冲相互重合的情况也获得了系统的研究,结果表明交叉相位调制会导致THz的输出呈现周期性振荡,这一效应可用于高速全光THz开关。第二部分第四章对瞬时光电流模型进行扩展并应用于气体击穿THz相干探测过程的解释。研究发现,随着探测激光能量增强,THz探测模式由相干探测转变为非相干,而且等离子体的二倍频强度也出现饱和,这些结果和实验吻合很好。除了利用飞秒激光直接激发气体等离子体并探测THz脉冲,加偏压情况下的外差探测方法也获得系统研究。这部分的研究说明瞬时光电流模型适用于THz探测过程的研究。第三部分第五章首次研究了采用周期量级激光实现相干探测THz波的方法。研究发现,如果保证周期量级激光脉冲具有稳定的CEP、脉冲能量以及不对称的场分布,在很低能量下就能实现相干探测THz波,这在超宽带THz的远程探测上有极大的应用前景。此外,本论文还提出了基于周期量级激光的THz外差探测方法,由于外差探测方法可以大大降低周期量级激光脉冲的CEP和能量抖动引入的噪声,因此这种改进方法具有更高的实用价值。第四部分第六章研究了强THz调制的等离子体二倍频信号和周期量级激光脉冲CEP之间的关系,发现利用这一关系可以获得CEP的绝对值信息。在进一步研究证明了可以增加一个类似的但相差一个固定CEP的信道,并用李萨茹图形来获得2π范围内的CEP。由此提出一套具有低能量,全光系统、可在常温常压下运行等优点的单发脉冲CEP测量方法。整篇论文深入研究了基于气体等离子体的THz产生和探测过程,并为THz波气体光电子学指出了新的应用方向。