近年来，高功率飞秒激光脉冲在大气中的传输一直是一个极具吸引力的研究领域。因为高功率飞秒激光脉冲在大气中传输时非线性自聚焦效应和电离空气产生等离子体散焦效应达到的动态平衡可以形成长达几百米甚至上千米的自导等离子体通道，并且通道内自导光丝的直径只有几百至几十微米，其能量高达1013～1014W/cm2，如此高的能量引起的非线性过程能够产生超连续光、高次谐波、锥形辐射等现象。这些现象涉及到大气中多种非线性传输效应，对其研究具有重要的科学意义。同时，高功率飞秒激光脉冲在大气中传输具有长距离自导传输、产生超连续光的特性，为大气遥感探测提供了一种新的手段。　　 本论文主要包含高功率飞秒激光脉冲在大气中非线性传输和高功率飞秒激光大气遥感探测两方面的研究。论文的主要研究内容和创新点概括如下：　　 1、首先阐述了飞秒激光脉冲在大气传输过程中的主要非线性效应，对非线性传输过程中的时空自聚焦、脉冲时域分裂、自导传输现象进行了数值模拟。同时通过数值模拟讨论了初始负啁啾量和初始光束尺寸对飞秒激光脉冲长距离传输的影响，其分析结果为飞秒激光在大气中的长距离传输和实际应用提供了有意义的理论指导。　　 2、研究了高功率飞秒激光脉冲在大气中传输产生的等离子体通道的传输特征和导电特性。对自聚焦和等离子体散焦动态平衡形成等离子细丝的物理过程进行数值模拟，分析了不同激光能量对形成等离子体单丝通道稳定性的影响。同时对不同激光能量和不同焦距透镜聚焦下的等离子通道电阻率进行测量，测得等离子体通道最小电阻率为0.6Ωcm；并且发现外加不同极性电压时，自由电子受到所加静电场作用力、洛仑兹力以及有质动力的共同作用使通道电流大小有所不同。　　 3、研究了飞秒激光脉冲在大气中自导光丝产生的超连续白光后向散射增强特性。通过测量自导光丝超连续白光散射的角度分布，对自导光丝产生的超连续白光后向散射特性进行了实验研究。结果表明，三种不同大气条件下超连续白光都具有后向散射增强特性，并且后向散射增强无波长依赖关系；对测量结果进行了函数拟合，给出了超连续白光沿光丝后向180°的散射增强的定量结果。　　 4、利用高功率飞秒激光脉冲进行了大气遥感探测初步实验研究。基于自导光丝长距离传输、产生超连续白光具有后向散射增强等优点，研制了白光激光雷达系统。通过负啁啾预补偿技术和时间分辨光谱探测技术实现对大气中自导光丝产生的超连续白光回波信号的时间分辨光谱探测。利用该白光激光雷达系统实现对大气中氧气成分在可见光范围内的长程差分吸收光谱的探测，其结果与Hitran数据库拟合计算值符合良好，初步验证了白光激光雷达系统实际应用能力。