近些年来,随着超短脉冲制造技术的不断提高,实验室中已能获得阿秒级脉宽的亚周期超短脉冲。在超短脉冲领域,仍然蕴藏着很多新物理等待人们进一步研究。现有的理论中,常用的载波-包络近似、旋波近似等模型,在超短脉冲持续时间进入单周期甚至亚周期时,存在严重的问题,导致非物理的结果。所以迫切需要有更完美的理论来研究超短脉冲的特征。我们从振荡电偶极子的电磁辐射理论出发,加入改进的复点源方法,求得了超短激光脉冲的解析表达式。与缓变包络近似方法不同的是,这个表达式是麦克斯韦方程组的严格解,可以用来表征任意脉宽的超短激光脉冲。以往的空心光束研究往往集中在空间域空心光束,而我们在论文中提出一种时域型空心超短脉冲。当阶数n = 0的时候它就是一束高斯型超短脉冲。随着阶数的增加,这束高斯型超短激光脉冲的线型慢慢扁平化,凹陷,从而演变成时域型空心超短脉冲。该束超短脉冲可以视为两束相位相关联,时域上相邻的激光光束,而且两束超短脉冲之间的时间间隔只与阶数及特征时间常数有关。接着分析了时域空心超短脉冲在自由空间中的传输特性。数值模拟显示,不管是单周期还是多周期时域空心超短脉冲,均能在传输较远的距离之后,稳定保持原有的时域空心特征。在远离光轴区域,还发现了时空耦合效应导致的脉冲线型“凹陷”现象。之后,我们验证了时域空心脉冲光束的内稟啁啾现象,发现随着解析表达式的阶数增大,单周期超短脉冲内稟啁啾线型出现与电场包络类似的时域空心现象。多周期超短脉冲的内禀啁啾效应可以忽略。超短脉冲与等离子体的相互作用是近年来强场物理领域的研究热点。综合考虑等离子体中连续性方程,动力学方程,并联立麦克斯韦方程组,得到了超短激光脉冲在等离子体中传播时的相对介电常数,并引入碰撞系数和相对论因子。等离子体中的电子被超短脉冲尾流场加速过程中,会产生相对论质量变化,并导致脉冲在等离子体中传输时呈现纵向自压缩效应。自压缩效应导致脉冲的电场包络脉宽减小,时域空心超短脉冲的前后沿尖峰间距缩小,并有利于脉冲能量的进一步集中提高。但在随后的传输中由于衍射效应和等离子体中的能量耗散,超短脉冲的强度逐渐降低。等离子体介质各向异性导致时域空心超短脉冲的前后沿尖峰呈现不对称线型,但在相对论传输中逐渐恢复其对称性。时域空心超短脉冲的阶数越低,或者等离子体特征频率越大,自压缩效应越明显。碰撞效应会影响等离子体介质的各向异性,增加超短脉冲传输时的能量耗散,但基本不影响其脉宽的压缩。此外,我们计算了时域空心超短脉冲在等离子体中传输时非线性效应引起的啁啾的演化。利用时域空心脉冲的解析表达式,我们计算了超短脉冲和铷原子相互作用过程中的光力效应。在超短脉冲作用下,处在矢量脉冲电场中的中性原子,可以获得相当于1011倍重力加速度的加速效果。横向光力的方向与超短脉冲的失谐方向以及中性原子的初态等有关。对处于基态的铷原子,具有较大红失谐的超短脉冲可以实现良好的聚焦效应。时域空心超短脉冲阶数越高,脉冲持续时间越短,光力越大。从光力的动力学演化来看,随着超短脉冲的传输,由于时空耦合效应,光力的“聚焦”效应会逐渐减弱。进一步增大拉比频率时,模拟显示超短脉冲的光力可用于原子运动的时序控制。最后,我们验证了初始相位对光力线型的影响。计算结果对将来原子光学方面的实验有一定的指导意义。