过去五十年超短激光脉冲技术进展很快,激光技术所提供的时间分辨率由微秒到达阿秒,提高了12个数量级。短至单个周期乃至亚周期的脉冲已可在实验室间接合成。然而对于单周期乃至亚周期激光脉冲与物质的相互作用的理论研究目前尚很欠缺,且已有的一些研究也存在物理基础不尽合理之处。这样亚周期、单周期、少周期脉冲与物质相互作用中的物理现象值得进一步研究。本文利用亚周期脉冲光束解析表达式对亚周期、单周期、少周期激光脉冲与二能级原子、多能级原子相互作用过程中的原子布居转移和作用力作了较为系统的研究。超短超强的激光脉冲往往经过聚焦,聚焦后的激光脉冲与原子分子相互作用中用激光的近轴模型来计算并不能准确的反映真实的物理过程。利用本实验室提出的改进的复点源方法,可以获得非近轴亚周期脉冲的解析表达式。利用这一表达式可以计算和原子相互作用过程中的光的偶极作用力。对于一束位于亚周期聚焦矢量场中的中性二能级原子,横向光力是聚焦的力还是散焦的力与光场失谐量、拉比频率和原子初始态均有关联,通过改变光场失谐量、拉比频率和原子初始态,可以实现光力从聚焦力到散焦力的转换。而对于纵向的光力,力会随时间做正负向振荡,从而在时间平均上来看总的效果互相抵消,不能用来导引原子。计算结果对于冷原子实验中实现原子运动的精确控制有着一定的指导意义。少周期乃至亚周期脉冲有宽的频带,这样多能级原子模型和超短脉冲的相互作用值得进一步研究。通过分析一个少周期聚焦的矢量光场的频带,发现光频段覆盖了钠原子的3S1/2、3P3/2、5S1/2、4D3/2能级,而与其他能级作用微弱。这样简化得到一束Y型四能级钠原子与聚焦矢量光场相互作用的模型。分析该模型光力得到的一些结论与二能级原子模型类似,即横向光力根据不同的原子初态和光场失谐量表现为聚焦的力或者散焦的力。我们也发现如果原子初始处于基态或者两基态的相干叠加态,原子与光场作用后状态不变。故可用少周期脉冲串与原子作用,连续的改变原子的横向速度。超短脉冲与原子分子相互作用过程中原子的布居转移及量子态的控制也吸引众多学者的研究。本文研究了亚周期、单周期的激光脉冲与二能级、三能级原子相互作用过程中的布居转移和量子态控制。与长周期脉冲相比,亚周期脉冲存在着内禀啁啾、中心频率蓝移等特性,而且频谱较宽,故与少周期及多周期脉冲相比布居转移有其独特的性质。计算表明亚、单周期脉冲能实现二能级原子布居的完全转移。亚、单周期脉冲实现的布居转移对脉冲峰值功率的变化和载波频率的变化不敏感。亚周期和单周期脉冲面积和布居转移之间的关系与少周期脉冲和多周期脉冲大为不同。亚周期和单周期脉冲特有的内禀啁啾和中心频率蓝移性质是布居转移规律不同于少周期脉冲和多周期脉冲的原因。而对于人型三能级量子系统,亚、单周期脉冲实现的布居转移同样对脉冲峰值功率和载波频率的变化不敏感。超短脉冲在介质中的传播也是近些年较为热门的研究课题,一些重要的物理现象如自诱导透明和脉冲压缩等现象先后被人们发现。由于亚、单周期脉冲本身特有的性质,其在介质中的传播规律不同于多周期脉冲。我们研究发现亚、单周期脉冲本身特有的性质对其在二能级吸收介质中的传播有重要影响。如即使对小面积的亚周期脉冲,面积定理不再有效。对面积为奇数π的脉冲,完全的布居转移不能得到。然而由于亚、单周期脉冲内禀啁啾,不论是载波频率共振或者非共振的亚,单周期脉冲,完全的布居回归可以获得。因此对于亚、单周期脉冲,在二能级介质中传播时同样存在自诱导透明现象,在脉冲参数合适的情况下存在亚周期的孤立波。本文对亚周期孤立波存在的区域进行了计算,对传播过程中布居转移与脉冲面积之间的关系作了分析。