介观尺度下激光与物质的相互作用及光场表征是近年来蓬勃发展的前沿交叉学科之一,本文从超短激光脉冲与微米、纳米和原子、分子这三个不同的空间尺度中物质的相互作用,对介观尺度下激光与物质相互作用及光场表征的理论与实验进行了研究。在本文中,我们使用量子力学方法对超短脉冲激光场中的氢分子离子的电离现象和行为进行了数值模拟研究。通过对描述氢分子离子状态的含时薛定谔方程(TDSE)进行含时演化,得到系统在每个迭代步骤时刻的波函数。通过对波函数的分析,我们发现了在亚飞秒甚至阿秒超短激光脉冲作用下氢分子离子电荷共振增强电离效应的缺失现象,在外加激光脉冲特定时刻已电离波包的回归现象。通过研究二维氢分子离子模型,提出了一种新的计算分子体系中原子核间距的方法。使用经典力学模型对氢原子团簇在超短脉冲激光场中的光电离进行了研究,我们得到了电离出的氢原子团簇质子的最大动能、电离质子的能谱和团簇中已电离原子的个数随超短激光脉冲强度变化的关系并提出了描述氢原子团簇发生库仑爆炸的阈值公式。在本文工作中,我们提出并制备出具有纳米尺度分辨率和复杂结构中三维扫描、飞秒激光脉冲全参数测量能力的倍频纳米探针(SHARP)。通过使用共线倍频频率分辨光学开关技术,我们能够对纳米尺度下复杂结构中的飞秒激光脉冲进行全参数表征：同时得到飞秒激光脉冲的振幅和相位分布。我们通过对显微物镜聚焦场和中空光子晶体光纤中空空气孔中的飞秒激光脉冲场进行测量,得到了复杂结构中具有纳米分辨率的飞秒激光脉冲的振幅和相位分布。在本文工作中,我们还提出了超连续谱白光光镊俘获力场劲度因子的共焦测量方法。在使用光子晶体光纤产生超连续谱白光作为光镊光源的同时,将光子晶体光纤作为共焦系统中等效的针孔和移动光镊位置的扫描机构。通过引入共焦方法,在很大程度上抑制了非信号杂散光对测量信号的影响,提高了信噪比和测量精度。