随着超快激光技术的发展，人们已经在多个频段上实现了单周期甚至亚周期的超短激光脉冲。实验技术上的这些进步将光和物质相互作用的研究带入了一个全新的单周期时代。尽管在实验上进展很快，在理论上的研究依然处于起步阶段。甚至连单周期脉冲的表征这样的基本问题，都一直没有得到很好的解决。原有的载波-包络近似模型以及矢势模型都存在严重的问题。如果把它们应用到光和物质相互作用的研究，将导致一些错误的结果。　　 本文对亚周期脉冲光束的表征及其与原子的相互作用做了较为系统的研究。首先，根据改进的复点源方法(sink-source方法)，求得了非近轴亚周期脉冲光束的解析表达式。这个表达式是麦克斯韦方程组的精确解，能够用于描述任意脉宽、任意束宽和任意偏振的脉冲光束。我们的模型预言随着脉冲变短，脉冲的中心频率会发生蓝移，并且出现内禀啁啾现象。单周期脉冲所具有的时域内禀啁啾相位与空域中的Gouy相位类似。　　 为了验证亚周期脉冲中内禀啁啾的存在，我们利用太赫兹时域谱测量系统获得了亚周期太赫兹脉冲的波形。通过对得到的波形进行的时频分析，我们发现，一直被认为是无啁啾的傅立叶变换极限脉冲，也存在不能被补偿的内禀啁啾。从而，我们首次在实验上验证了内禀啁啾的存在。　　 我们还指出目前使用的平面波脉冲模型(包括载波-包络模型以及矢势模型)不能用于描述单周期脉冲，并且提出了一种简单的应用复包络的解析信号模型。这一模型为研究亚周期范围内强场与原子的相互作用，特别是阈上电离，高次谐波产生等过程提供了可能。另外，我们提出利用解析信号来表征频域合成光波。利用这种方法，我们可以方便的提取合成光波的载波频率，初始相位，啁啾等参数的信息。　　 我们利用复包络脉冲模型，研究了亚周期范围内原子的阈上电离过程。通过数值求解含时薛定谔方程，对亚周期脉冲作用下原子的电离过程，电离光电子的不对称性与载波-包络相位(CEP)的关系，以及亚周期域上的高次谐波产生过程进行了较为细致的研究。结果表明，在亚周期范围内，随着脉宽变短，原子的光电离模式逐渐从长脉冲时的绝热电离转变为非绝热电离：束缚电子不再像长脉冲情形下，直接从初态跃迁到连续态；而是从初态爬到某个中间态，然后从那个中间态电离到连续态。这个物理过程可以从总电离率与CEP以及电离光电子的不对称性与CEP的关系图中清晰的解读出来。另外，我们的计算结果对于亚周期域上CEP的测量和定标具有重要的意义。　　 亚周期脉冲作用下原子的高次谐波产生也与长脉冲的情形不同，截止能量会随着脉宽变短而不断减小。减小量与脉冲包络的形式有关。脉冲中心频率随脉宽的自蓝移被认为是造成这一效应的原因。如果把中心频率固定，高次谐波产生的能谱的模式与脉冲的内禀啁啾的形状之间也存在紧密的关联。　　 更进一步，我们研究了亚周期脉冲作用下，原子系统布居数转移与脉冲CEP的关系。CEP的测量是制备CEP稳定的超短脉冲的关键。目前仅有几种比较有效的方法。我们首次提出了一种利用相干叠加态间的布居数转移测量亚周期脉冲CEP的方法，并且系统研究了各个参数对布居数转移效果的影响。结果表明，这种方法不仅可以实现2π周期内所有初相位的标定和测量；并且，反过来也可以用于控制相干叠加态上的相对布居数。它可以用于测量较弱的未经放大的光脉冲，并且相较于非相干态布居数转移方法，原子系统的响应被大幅提升，在实验上有较好的可行性。