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超强飞秒激光在大气中传输时，由于自聚焦效应光强增大，电离空气产生等离子体，自聚焦效应和等离子体散焦的动态平衡可以使激光形成高强度的光丝和超连续光谱，并保持一定的束腰传输较远的距离（远超过瑞利长度）。飞秒激光在大气中成丝过程中包含丰富的非线性现象，使得它在激光引雷，遥感测量和脉冲压缩等方面都有巨大的应用潜力。因此，飞秒激光在大气中的成丝吸引了国内外众多物理学家的关注。本论文主要通过数值模拟的方法，对空间调制下飞秒激光在大气中的成丝过程进行理论研究，控制和优化成丝过程。 第一章介绍飞秒激光成丝物理的研究背景和意义。首先简单回顾飞秒激光成丝的物理机制和现在仍在研究中的两个问题:群速度色散对成丝阈值功率的影响和高阶克尔效应的争议。接着介绍了描述飞秒激光在大气中成丝的五种物理模型:自引导模型、移动焦点模型、动态补偿模型、时空焦点移动模型和包含高阶克尔项的模型。然后介绍飞秒激光成丝的热点问题，包括:激光的远距离传输及优化，背景能量库，光谱展宽级超连续谱产生，光强钳制和多光丝产生及其操控。随后介绍飞秒激光的一些潜在引用，包括白光测量和遥感技术，激光引雷，脉冲压缩和阿秒激光的产生，光丝诱导击穿光谱和微波波导。最后总结飞秒激光成丝物理仍存在的挑战。 第二章首先介绍了用于描述飞秒激光传输的非线性薛定谔方程。然后介绍数值求解非线性薛定谔方程的两种方法:直角坐标方法和柱坐标方法。 第三章对空间啁啾作用下的飞秒激光在大气中传输进行研究。数值模拟的结果显示空间啁啾技术对脉宽有展宽作用，可以控制成丝的起点。空间啁啾、自聚焦和群速度色散的联合作用会使激光的光强时空分布发生扭转，并分裂为多丝。光强分布的时空扭转和多光丝的产生十分有利于脉冲压缩和超连续谱的增强。 第四章对微透镜阵列聚焦下的飞秒激光在大气中的传输进行研究。数值模拟的结果显示通过引入微透镜可以对多光丝过程的成丝起点、光丝长度、光丝模式和超连续谱进行操控。这是通过选用不同数值孔径的微透镜阵列来实现的，使用数值孔径较小的微透镜阵列可以形成较长的光丝，而使用数值孔径较大的微透镜阵列形成的光丝较短，但可以提高超连续谱中蓝光部分的强度。