高功率飞秒激光在气体介质中传播受到非线性克尔效应和等离子体散焦作用会出现成丝行为。光丝内部激光功率密度一般钳制在1013-1014 W/cm~2量级,光与物质的相互作用从传统的微扰区过渡到非微扰区。光丝等离子体基本特性的表征主要依赖于自由电子能量分布和等离子体发光。近十年来,氮分子离子前向“激光”现象作为激光成丝的新效应引发了持续而广泛的关注。这种以大气分子作为增益介质的无腔放大效应,具有窄带宽、高亮度和高相干性特点,结合飞秒激光成丝的远距离传输特性,在远程监测领域潜在应用价值巨大。然而,氮分子离子前向“激光”发射独特的时间演化规律及其背后的物理机制仍难以理解。本文结合实验测量与数值模拟计算研究氮分子及其离子在强激光场中的动力学行为。基于泵浦-探测方法测量等离子体侧向荧光和前向“激光”发射,以隧穿电离、光学Bloch方程为基础对相关作用过程进行理论计算,探究氮分子及其离子与飞秒光场作用的物理机制。论文主要工作如下:1.探究光丝等离子体中飞秒激光偏振对自由电子能量分布的影响。数值计算表明圆偏振激光作用下产生的自由电子趋向于高能量分布,而线偏振下自由电子动能大多分布在0 e V附近。直接的实验观测发现圆偏振激光条件下氮分子380 nm（N2（C~3（?）u）→N2（B~3（?）g））发光线强度明显高于线偏振激光下的发光线强度。结合不同光场下的自由电子动能分布以及实验测量结果,可以发现电子碰撞激发是氮分子激发态N2（C~3（?）u）的有效产生通道。2.采用泵浦-探测荧光测量方法,实现基态与激发态粒子数的同时获取。以800 nm激光为泵浦与氮气作用,400 nm激光作为探测,发现了391 nm(N2+（B~2∑u+）→N2+（X~2∑g+）荧光增强现象。数值模拟探测激光与N2+（B~2∑u+）和N2+（X~2∑g+）组成的二能级体系近共振作用,发现探测光将基态离子输运到激发态。通过数值计算建立荧光增强系数与上下能级相对粒子数密度差值的关系,可以从实验测量中提取氮分子离子基态与激发态粒子数密度分布。将实验结果与隧穿电离PPT模型的计算对比,发现低泵浦能量下实验结果与PPT模型的计算相符合,高泵浦能量下实验结果偏离计算结果。我们用泵浦激光尾场与氮分子离子多态耦合作用解释了这一偏离。3.证实氮分子离子391-nm前向“激光”发射的超辐射物理机制。运用光学Bloch方程探究在外部相干超快共振探测光作用下,N2+（B~2∑u+）和N2+（X~2∑g+）组成的二能级体系能量和极化响应的时间演化规律。发现体系内的氮分子离子借助相干光场彼此关联形成超辐射。在上下能级粒子数相等时,关联程度达到最大,超辐射最强。我们给出了超辐射发射强度随时间演化的解析解,指出了超辐射与受激辐射的区别与界限。不同实验条件下观测到的氮分子离子391-nm前向发射时间谱型、延迟时间、特征持续时间、辐射峰值强度、辐射总能量与解析公式的预测结果相一致,揭示了391-nm前向发射的超辐射本质。4.高气压下391-nm前向“激光”发射消失机制的探究。实验上发现391-nm前向发射在氮气气压达到某一值后会消失。我们以光丝等离子体折射率平衡公式为基础,重现了自聚焦等离子体平衡的功率密度钳制,获得了加入透镜后钳制功率密度对气压的依赖关系。发现钳制功率密度不再与气压无关,而是随气压增加而下降。气压升高导致的钳制功率密度下降会使N2+（B~2∑u+）和N2+（X~2∑g+）间无法实现粒子数反转,表现为391-nm前向发射的消失。