基于约化电子数密度增长速率方程，建立了熔石英导带电子数密度随脉冲持续时间变化的模型。利用电子数临界密度这一概念，得到了150 fs~10 ps脉宽下，熔石英激光损伤阈值范围。分析表明，5~10 ps，雪崩电离仍然起主要作用，而光致电离提供的初始电子使雪崩电离不再依赖材料原有的初始电子; 当脉宽减小到约为4 ps时，光致电离与雪崩电离作用相等; 之后，光致电离起主要作用。通过仿真出的损伤阈值拟合，得到了该脉宽区间下新的脉宽定律: 熔石英的损伤阈值正比于脉宽的0.38次方; 考虑温度对熔石英损伤阈值的影响，熔石英的损伤阈值正比于脉宽的0.34次方。

光学元件的激光损伤问题是激光器件向高功率密度方向发展中必须认识和克服的问题.基于Forkker-Planck方程，研究了激光与材料相互作用时的雪崩电离机制、多光子电离机制以及联合两种机制的情况.雪崩电离的产生需要一定密度的初始自由电子存在，该自由电子可以是材料中原本就存在的，也可能是光电离产生的.着重分析了材料中的初始自由电子对材料电离机制的影响.结果表明，雪崩过程在激光作用一段时间后会达到一个稳定的电离阶段（以自由电子平均能量不随时间变化为特征，且此时雪崩电离为材料电离的主导机制），该时间与光电离速率、材料中初始自由电子密度有关.材料中的初始自由电子可以在一定程度上掩盖光电离的作用效果.

阐述了激光诱导等离子体光谱技术的物理机制, 分析了气压影响激光诱导等离子体光谱探测的机制和规律, 建立了低气压环境下进行激光诱导等离子体光谱探测的试验装置, 开展了不同等级低气压环境下的试验研究, 通 过试验数据具体量化了气压对激光诱导等离子体光谱探测的影响, 进而论证了激光诱导等离子体光谱技术应用于 月球探测的可行性.

基于电子密度演化模型，借助数值方法，研究了飞秒激光作用下光学薄膜内的电子密度演化过程，讨论了初始电子密度Ni和激光脉冲宽度τ对光学薄膜激光损伤阈值Fth的影响，分析了激光诱导薄膜损伤过程中MPI和AI的性质和作用.研究结果表明，对应于一定的脉宽，存在一个临界初始电子密度，当Ni低于这一临界密度时，Fth不受Ni影响；当Ni高于临界密度时，Fth随Ni增加而降低.临界初始电子密度随着脉宽的减小而增加。对于FS和BBS介质薄膜，Fth随脉宽的增加而升高。初始电子密度Ni对BBS中的MPI和AI基本没有影响；同样Ni对FS中的AI基本不产生影响，但当Ni>1011 cm－3时，FS中MPI电子密度随Ni增加而降低.在所研究的脉宽范围τ∈［0.01,5］ps，AI是FS介质激光诱导损伤的主要机制.而对于BBS，当脉宽τ∈［0.03,5］ps，AI是激光诱导损伤的主要机制；当脉宽τ∈［0.01,0.03］ps，MPI在激光诱导损伤中占主导地位.

基于电子能带理论，以动力论的Fokker_Planck方程为基础，从微观层次对超短脉冲激光烧蚀绝缘体材料的机理进行分析研究.源项中分别考虑了雪崩电离、多光子电离机制，并考虑了电子能量与散射机制对电子弛豫时间的影响.建立了绝缘体烧蚀机理的耦合数学模型，其计算的激光烧蚀临界能量密度阀值与实验结果很好的吻合.定量描述了超短脉冲激光对绝缘体材料烧蚀微观过程的影响.

飞秒激光产生的新现象引导了超快科学新领域的发展，对这些现象中存在的极其复杂的非线性、非平衡过程的理论解释是一个巨大挑战。虽然以飞秒激光为工具已取得大量成功实验结果，但在飞秒激光与物质相互作用方面尚不存在一个完备的理论模型可以全面描述它。本文综述了近期对飞秒激光，特别是功率密度在1013~1014 W/cm2的激光脉冲与宽禁带物质相互作用中光子吸收电离过程的理论研究进展，在该光子－电子相互作用的过程中主要考虑了多光子电离和雪崩电离。

通过对自由电子密度速率方程的简化,得到了计算光学击穿阈值的解析式.将计算结果与波长分别在可见光和近红外波段,脉宽分别为纳秒、皮秒和飞秒的激光脉冲在纯净水和含有杂质的水中实验测量的击穿阈值做了比较,吻合较好.对于纳秒激光脉冲,在纯净水中多光子电离提供初始电子,随后雪崩电离很快在电离的过程中占主导地位.对于短脉冲,多光子电离作用显得尤为重要,并且在击穿的过程中复合损失和碰撞损失对击穿阈值的影响逐渐消失.

采用PIC模拟方法,研究了具有谐振腔的多波切伦柯夫振荡器在充入不同密度的氦气下工作的物理过程, 分析了等离子体产生物理机制及其对微波输出影响.结果表明,等离子体的产生是由于电子束对氦原子的碰撞电离及其雪崩效应引起的.由于电离产生的正离子有利于束的传输和群聚,当在一定范围内增加氦气密度时,可减小微波起振时间,提高束波能量转换效率,但并不改变微波频率;进一步增大气体密度,微波起振时间增大、效率下降,甚至出现脉冲缩短现象.