近年来，实验上已实现了光与物质之间的超强耦合作用，即光与物质相互作用强度与光子频率或原子共振频率处在同一数量级。这些突破性的实验进展为人们探索系统的新奇量子效应以及实现高保真度的量子信息系统提供了新的平台。本文主要在当前的实验基础上研究二能级原子（包括原子系综）与光子相互作用的动力学问题，着重探索光场和原子的压缩问题，所得结果将在量子计量学中有着重要应用。本文的主要结果如下：(1)超导比特（即人造二能级原子）和LC振荡回路（即人造微波光子）耦合系统在耦合强度达到0.1倍原子频率时，实现超强耦合。该系统的哈密顿量需要用含有反旋波项的Rabi模型描述。虽然该模型提出已经70多年了，但是其解析解一直没被解决。我们提出了一种新的微扰理论，获得了当前实验条件下（耦合强度小于0.5倍原子频率）Rabi模型的基态和所有激发态问题。所得结果很好地解释了实验中观察到的Bloch-Siegert频移。另外，获得了可测物理量如平均光子数等的解析表达式，并纠正了长期的不准确结果。(2)数值结果表明，光场压缩与原子-光子的耦合强度并非简单的线性关系，而是在整个耦合区间中的某耦合强度下达到其最大值。我们同时揭示了Rabi模型的反旋波项增强光场压缩的物理机制，该结果有益于帮助实验制备所需的最大压缩态。(3)研究了Rabi模型受到静场光子驱动的动力学问题，利用解析方法并借助数值分析了依赖驱动强度的共振效应。利用共振效应，既可以实现对驱动强度的测量，又可以精密测量原子和光子的耦合强度，该结果将为更精密的测量提供理论参考。(4)瑞士ETH大学T.Esslinger教授小组成功观察到了40年前预言的Dicke模型超辐射相（Nature,464:1301,2010），他们的方案具有一个独特的优势：集体原子-光子耦合强度正比于驱动外场的Rabi频率。因此，在实验上具有高度的可控性，而且非常容易达到超辐射量子相变的所需条件。我们发现通过在该方案基础上引入含时的集体原子-光子耦合（可通过调节驱动场振幅和频率改变其耦合强度），可以大大提高原子系统的自旋压缩。随着驱动场振幅的增加，自旋压缩系数会快速增长。利用高频近似，发现该自旋压缩来源于含时集体原子-光子相互作用诱导的强自旋排斥相互作用。在当前实验条件下，解析地获得了该系统所能达到的最大自旋压缩系数（~40dB）。该结果远超出以前的理论和实验方案。(5)在最近NIST的超冷原子实验中，通过控制一对Raman激光实现了强Rashba-Dresselhaus自旋-轨道耦合。物理上，该系统可以用超强耦合下的Dicke模型来描述。我们提出了利用自旋-轨道耦合获得自旋压缩的新方案。首先利用自旋-轨道耦合获得了无耗散、可调性好、耦合强度大的非线性自旋相互作用。利用该相互作用获得-30dB左右的自旋压缩。另外还发现选择合适的初始态的相因子也会很大地提高自旋压缩。该结果为自旋-轨道耦合在量子计量学中的应用提出新的思路。