随着超快超强激光技术的不断发展，激光与物质的相互作用已经从传统的微扰区域拓展到高度非线性、非微扰区域。在非微扰区域内，会发生一系列非常有趣的物理新现象，例如阈上电离、高次谐波产生、库仑爆炸等。这些新现象的不断发现不仅拓宽了强场激光物理领域的边界，而且推动了其他交叉基础学科的发展。近年来，基于飞秒激光成丝诱导产生的新物理现象迅速成为国际研究的前沿热点之一。研究表明在飞秒激光诱导的等离子体通道中空气分子的相关能级能够建立起粒子数反转系统，进而产生高亮度、窄谱宽、高相干的自由空间传输的空气激光。空气激光现象一经发现立即引起了国内外研究人员的极大关注:一方面，自由空气激光为远程大气遥感等重要应用提供了一种全新的可能实现途径，具备传统探测手段无法比拟的高信噪比与灵敏度;另一方面，空气激光光谱有望成为研究强场激光物理的有效手段。基于上述背景，本文围绕强场激光诱导产生的自由空气激光现象展开，重点研究自由空气激光粒子数反转建立机制以及探索产生高亮度背向传输的自由空气激光的必要条件，并利用空气激光光谱为探针，探测强场中原子分子的超快动力学过程。　　本研究主要内容包括：⑴利用双色场泵浦(800nm，40fs)-探测(400nm,60fs)方案，研究了强场隧穿电离诱导产生的氮气离子激光中分子离子转动态奇特的耦合现象。研究发现单个转动态J的R支激射光谱强度不仅会受到转动态J和J+2之间拍频的调制，而且还会出现一些新奇的调制频率。理论分析表明这些新的调制频率来源于P支的激射光谱中不同转动量子态之间的耦合。⑵通过关联测量前向传输与背向传输的相干N2激射的增益动力学过程，研究产生自由传输的背向氮分子激光所需要的最短增益寿命。实验中利用第一束泵浦激光在N2/Ar混合气体中产生高强度的背向中性氮分子激光，另一束时间延迟的飞秒激光脉冲通过电离激发态的氮分子来调节氮气激光的增益时间。通过对比前向氮分子激光的动态增益过程，证明在我们实验下实现背向运转的氮分子激光所需要的最小增益时间～0.8ns。该发现对实现高亮度的远程背向空气激光具有重要的指导意义。⑶利用中红外飞秒激光脉冲诱导产生的氮分子激发态的三次谐波探测氮分子激发态布居时间依赖的演化。首先利用一束圆偏振的中红外飞秒激光脉冲泵浦产生激发态的氮分子。然后另一束极弱的中红外飞秒激光脉冲产生特定激发态氮分子的三次谐波。这种基于超快谐波产生实现分子激发态探测的方法填补了荧光、空气激光在探测超快原子、分子激发态动力学过程方面的不足。⑷利用近红外飞秒激光脉冲在空气中比较相同数值孔径条件下传统聚焦和时空聚焦两种方案产生的非线性自聚焦。通过拍摄比较不同实验条件下产生的等离子体荧光的精确位置，发现在数值孔径相等的情况下传统聚焦方案比时空聚焦方案可以更好地推迟自聚焦的产生，并且在焦点处的峰值光强比时空聚焦的更高。这一新的思路对于具体如何恰当地采用传统聚焦和时空聚焦方案进行三维微加工、非线性光学成像等非常重要。