飞秒激光大气成丝自1995年首次被发现以来,由于光丝和大气存在丰富的非线性效应,使得它在众多领域展现出广阔的应用前景,已经成为非线性光学领域的研究热点。飞秒激光在大气中传输涉及衍射和群速度色散(GVD)以及诸多非线性效应,主要包括:克尔自聚焦(SF)、自相位调制(SPM)、多光子(隧道)电离(MPI/TI)、等离子体自散焦、自陡峭、多光子吸收(MPA)和拉曼效应等。其主要物理过程为:当飞秒激光功率大于其自聚焦阈值功率时,大气的克尔效应使光束自聚焦,从而光强不断增强;高强度的激光使得空气产生多光子电离,产生等离子体,等离子体对光束产生负透镜效应。自聚焦和等离子体散焦形成的动态平衡能够维持长距离传输的光丝结构。本论文工作主要集中在空间维度上对初始光场进行振幅和相位的调制,通过数值计算的方法,探索了众多新颖的光丝传输模式。工作主要分为四部分:探索在不同传输距离上的调制对成丝的影响程度;基于纯相位调制操控光丝;基于纯振幅调制操控光丝;采用经振幅和相位调制后的特殊初始光场操控光丝。首先利用强湍流屏作为随机扰动探索了调制位置对成丝的影响,分别将湍流屏施加到普通高斯光束成丝的三个典型的位置:紧靠透镜前、紧靠透镜后和紧靠成丝前。在光丝的时空演化特征上分析了飞秒成丝在不同位置受湍流的影响程度。得出的结论为:在初始位置添加扰动将对成丝演化产生最大化的影响。此工作为后续光场调控位置的选择奠定了基础,后续工作采用对初始光束进行空间光场调制的方式。基于纯相位调制操控光丝上,尝试使用二维声光调制的方式来代替微透镜阵列,使飞秒激光在大气中产生规则的多丝阵列。通过控制声光调制中的频率和振幅可以有效地操控多丝演化的动态过程,例如成丝起点、模式分布、光丝整体长度和超连续谱辐射强度等。相比于使用具有相同成丝起点的单透镜情形,通过合理地选择声波调制频率和振幅,整个光丝长度延长多倍。这为操控多丝阵列提供了较为简单的方法。基于纯振幅调制操控光丝上,我们先比较了伪Mathieu振幅调制的光场和普通高斯光的成丝差异。发现伪Mathieu振幅调制后的光束可以延迟成丝起点,并且光强会在传输轴上出现第二次钳制的现象。在非成丝区域,相比于高斯光,伪Mathieu光能量的向外衍射速率要小。接下来,进一步研究了不同数量的旁瓣对伪Mathieu光成丝的影响,通过分析其成丝特性,发现非线性传输条件下的伪Mathieu光会明显地表现出无衍射的特性,其无衍射特性的显著程度取决于旁瓣数目。在采用特殊初始光场操控光丝方面分为三部分工作,首先着力于延长抛物拐弯光丝的长度,然后试图构建沿任意预设传输轨迹的光丝,最后提出了非傍轴椭圆轨迹自加速光丝并在大气中形成了非线性光孤子和光子弹。在第一部分中,初步探索了具备多主瓣的抛物加速光场对成丝的影响,发现当其包括两束光瓣时,其时空演化过程较Airy光有较大的变化。随后,通过调整主瓣之间的相位关系使其相干增强。我们发现当主瓣数量增加时,拐弯光丝的长度得到了明显的延长并且光丝的横向偏移量明显增加。如上结果表明利用多主瓣结构来形成拐弯光丝可以为延长拐弯光丝提供一种新方案。在第二部分中,提出了新颖的蛇形光丝,深入探究了背后的机理。该现象主要是因为旁瓣的光场能在两侧形成特殊的相位边界,我们称之为“相位井”,其效果是不断反弹主瓣的加速方向。第三部分工作则是通过对初始光场进行Mathieu调制,构建出非傍轴椭圆轨迹光丝。对于两束Mathieu加速光场同相位对称分布的情况,可以得到普通单光孤子结构。对于其相反相位对称分布的情形,相位差会把光孤子劈裂成两部分,从而形成呼吸型光孤子对结构。最后,尝试对Mathieu加速光进行中心对称分布,构建出了环形光子弹。在传输过程中,旁瓣能量不断地向中心补充,在传输轴附近可以得到链条式结构的光强分布。光场调制飞秒激光大气成丝所产生的新效应为促进飞秒光丝更多新颖的应用奠定了基础,例如增强超连续谱辐射、实现高深纵比微加工、操控激光诱导太赫兹辐射、弯曲等离子通道引雷、避开障碍物干扰、损伤等。