超快激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率,它的出现为人类提供了一种在极端条件下研究物质结构和超快动力学过程的强大探测工具,促进强场物理学取得了重大突破和飞速发展。强场物理学的最新研究进展已经表明,超快脉冲激发分子强场过程所发射出来的光、电子信号中携带有丰富的被探测分子的分子轨道结构信息,对这些光、电子信号进行分析和重构可以实现对目标分子轨道的结构探测以及成像。由于分子轨道是反映分子性质的最重要信息载体,因而开展对于分子轨道的成像和结构探测研究将有助于人们更加直观和深入的认识微观物质世界物理过程和化学反应过程的物理学本质。这不仅对于物理学,而且对于化学、材料科学、生命科学等学科的发展都将具有重要的促进作用。在过去的十年里,针对超快激光驱动下的分子轨道成像研究工作取得了快速的发展,包括基于超快激光隧穿扫描机制的分子轨道成像、基于分子高次谐波的分子轨道层析成像等在内的成像方案纷纷被提出并得到了运用。在已有的研究工作的基础上,以消除成像畸变降低成像误差、简化成像实验方案降低实验难度、拓展分子轨道成像应用范围等为当前分子轨道成像发展的主要目标,仍然还有很多问题亟待人们去解决。为了促进分子轨道成像研究的进一步开拓,本论文开展了以下几方面的工作：(1)基于超快激光隧穿扫描的探测机制,提出了一种采用圆偏脉冲的实现分子轨道单发成像的新方案。该方案简化实验过程,避免了传统方案多次预排列-探测带来的实验误差及成像畸变,并且可以拓展应用于传统方案难以处理的不对称分子成像。此外,还提出通过采用椭圆偏振脉冲实现具有空间选择性的不对称分子轨道结构探测的方案。(2)提出了一种基于高次谐波产生的分子轨道层析成像新重构算法。这一算法克服了传统重构算法中所存在的“节面问题”,可以更加准确的实现了具有二重镜面反对称性的分子轨道的重构,拓展了分子轨道层析成像的应用范围。(3)提出基于双色光场驱动的极性分子的分子轨道层析成像方案。我们指出极性分子特有的固有偶极矩效应会对其分子轨道的成像过程产生不利的影响,导致已有的成像方案失效。针对这一问题,我们提出采用双色激光脉冲做驱动光克服固有偶极矩的不利影响,实现了对于具有较大固有偶极矩的极性分子的层析成像。这一方案的提出进一步拓展了分子轨道层析成像的应用范围。(4)研究了异核双原子分子高次谐波产生过程中的双中心干涉效应,在理论上预测并通过数值模拟证实了对于异核双原子分子存在高次谐波谱中干涉极小的平移现象,并提出通过观测这个干涉极小的平移可以判定分子轨道的各组成基函数的权重系数,进而判定分子轨道的结构。