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本论文主要包括三个部分：利用等离子体布拉格光栅操纵超短强激光脉冲的研究，基于激光等离子体的新型高功率太赫兹(terahertz，THz)辐射源，和稀薄等离子体中双光束的相互作用动力学。
本论文第一部分包括两项内容，一项是利用均匀等离子体布拉格光栅对超短强激光脉冲的操纵，另一项是利用非均匀等离子体光栅进行啁啾脉冲压缩。随着高功率激光技术的发展，通常光学介质和元件的功率破坏阈值越来越成为控制或操纵强激光的障碍。由于等离子体没有热损伤阈值，可以承受巨大的光强，因此是可能用来实现对强激光脉冲控制的一种特殊介质。现在实验上已广泛采用的用于提高脉冲对比度的“等离子体镜”就是一例。本文提出了用来操纵强激光脉冲的一种新型等离子体光子器件—等离子体布拉格光栅。鉴于等离子体光栅比一般材料制成的普通光栅有大三个数量级的损伤阈值，这打开了在高强度区域操纵飞妙脉冲的新途径，譬如作为将来超高功率激光器中的啁啾脉冲压缩器。
在均匀等离子体布拉格光栅的工作中，本文讨论了光栅的产成；利用非线性耦合模理论，讨论了等离子体光栅的光子带隙和光栅色散特性；利用一维particle-in-cell(PIC)模拟，研究了等离子体光栅中的光速减慢、脉冲展宽、啁啾脉冲压缩和布拉格光栅孤子的快速压缩等光传输效应。非线性耦合模理论与PIC模拟结果吻合得很好。在对非均匀等离子体光栅的研究中，本文研究了两种变形：幅度非均匀光栅和等离子体啁啾镜。前者是密度调制幅度是位置的函数，调制周期仍是均匀的；后者则是密度调制周期是位置的函数。利用一维PIC模拟研究了这两种非均匀等离子体光栅中的啁啾脉冲压缩。最后，比较了均匀和非均匀等离子体光栅中的啁啾脉冲压缩的工作特点、性能以及实验难度。
本论文第二部分也包括两项内容，一项是研究了非均匀磁化等离子体中通过线性模式转化产生THz辐射，另一项是我们提出了一种新的THz辐射机制，即从单周期等离子体波的THz辐射。THz科学是最近几年来刚刚兴起的一门学科。现阶段，THz科学的发展严重地依赖于发明新型的高功率THz辐射源。高功率的THz源将大大拓展THz科学的研究内容，并将其推进到非线性区域。本研究并提出的上述两种基于激光等离子体的THz辐射机制都可以产生功率达到MW量级，场强达到MV/cm以上的相干THz脉冲，它们可能成为将来用于非线性THz科学的通用THz源。
在非均匀磁化等离子体中的THz辐射中，本文解析得到了激光正入射下的THz辐射的频谱和能量转化效率，与PIC模拟结果吻合得很好。比较了斜入射下磁化等离子体中最大THz辐射转化效率与非磁化等离子体中最大转化效率。分析了模式转化产生的THz脉冲总是一个正啁啾脉冲，通过一个合适的负色散啁啾脉冲压缩，可以产生单周期THz脉冲。在单周期等离子体波的THz辐射机制中，笔者解析得到了辐射场的标定律，与一维PIC模拟吻合得很好。我们发现这种机制，可以直接辐射出单周期的THz脉冲。二维PIC模拟也形象地证实了这种THz辐射机制。
本论文第三部分研究了偏振正交的两束激光在稀薄等离子体中的传输的相互作用动力学。自聚焦传输的光束又叫空间孤子，研究多个空间孤子的相互作用是一个较热的课题，里边有很多有趣的非线性光传输效应。有人研究了稀薄等离子体中两束发生相对论自聚焦的光束的相互作用，他们用到的双光束相互作用的耦合方程组只包含电子运动的相对论效应，而没有考虑导致相对论自聚焦的另一个重要因素-激光有质动力效应。
笔者使用的描述双光束相互作用的耦合方程组同时包含了相对论效应和有质动力效应。利用变分法，解析得到了描述双光束运动的常微分方程。比较了这些常微分方程的解与直接数值求解耦合方程得到的结果。本文发现相对论效应总是使得光束吸引，而有质动力能使得光束或吸引或排斥。在某些条件下，双光束绕着一条传播轴做横向振动。在这种情况下，考虑有质动力效应要比单纯考虑相对论效应时的振荡频率要大。双光束的相互作用减低了单光束的自聚焦阈值。一个强的光束能够导通一个很弱的光束。