超短超强中红外光在超快化学、强场物理及阿秒科学等领域有不可替代的应用价值,近几年来该领域的研究逐渐受到越来越多的关注。然而由于传统激光晶体及非线性晶体的限制,长期以来超短超强中红外光源（特别是长波红外光源）始终是超快激光技术领域的一大挑战。本文针对这一困境,另辟蹊径从激光等离子体角度入手,在国际上首次提出并实验验证了一种基于等离子体“光子减速”机制产生相对论光强、波长可调谐的单周期长波红外脉冲新方案。该方案的实现,将填补长期以来该波长范围内超快超强光源的空白,为阿秒科学、强场物理等众多前沿科学带来全新机遇。本论文主要研究内容包括:论文系统阐述了激光等离子体相互作用中频率下移（光子减速）的基本原理。基于一维非线性尾场理论,推导出超短脉冲激光在等离子体尾场中光子减速的速率表达式,并求出达到最优中红外光输出所需要的激光脉宽及等离子体长度等参数。在此理论基础上,提出利用特殊设计的等离子体结构高效率地产生相对论光强、波长可调谐的单周期长波红外光的方案。该方案基于普通的超短脉冲激光在特殊等离子体结构中的光子减速过程。等离子体结构由压缩段、转化段及输出段三部分组成。通过三维PIC模拟,验证了方案的正确性。基于此方案的新型光源具有载波包络相位锁定、波长可调谐等特性,且具有高度的可行性。为了实验验证提出的理论方案,论文发展了基于气体四波混频的XFROG方法,用来测量超短超宽带中红外脉冲。首先基于双色成丝的原理在空气中产生了用于测试的低能量超短中红外脉冲。然后通过XFROG方法对该中红外脉冲进行测量,并反解出中红外脉冲的完整信息,将其与棱镜光谱仪的测量结果对比,验证了XFROG方法测量超短超宽带中红外脉冲的正确性及可行性。最后,利用XFROG测量方法,在国际上首次实验验证了基于特殊等离子体结构产生相对论光强、单周期长波红外脉冲的方案。实验中通过刀片覆盖一小部分喷嘴的方式产生了与理论方案接近的等离子体结构。然后利用该等离子体结构与普通的钛宝石超短脉冲激光相互作用产生了中心波长约9.4μm,脉宽（FWHM）约33 fs的单周期长波红外脉冲,且达到相对论光强。另外,通过激光及等离子体参数的改变展示了红外波长在4-15μm范围内可调谐输出。