光与物质相互作用一直是人们致力研究的核心物理问题之一。激光及其啁啾脉冲放大技术(CPA)的发明提供了前所未有的超短超强光场条件,实验室已能获得聚焦强度超过1022W/cm2、单脉冲宽度小于10fS的激光脉冲,如此强的激光可将物质迅速电离形成等离子体,光与物质的相互作用也进入了强相对论非线性光学领域。在这些进展的推动下,激光加速、高次谐波与阿秒脉冲产生、强场核物理和真空量子力学效应等研究得到广泛关注,它们不但在能源、医疗等应用方面具有重要的意义,而且为探索粒子的运动、结构以及真空性质等前沿的基础物理问题提供了强大的手段,因此逐渐成为光学、等离子体物理领域非常具有活力的研究方向。在激光与等离子体的相互作用过程中,激光的偏振有非常重要的影响,圆偏振激光因其有质动力的独特性而衍生出许多重要的应用,如激光加速中最受关注的光压整体加速离子机制。基于这一点,本论文多方面研究超短超强圆偏振激光与等离子体靶的相互作用,特别关注激光驱动的离子加速以及作用过程中单周期激光、超强激光、阿秒脉冲等极端光场的产生,具体如下:　　 1高能重离子束在探索基本粒子、快点火核聚变与医学癌症治疗中扮演着十分重要的角色,但激光加速中往往由于其荷质比低于质子而较难加速。模拟中观察到圆偏振激光驱动的静电激波可将混合靶中较轻和较重的离子均加速到相同的速度,而此速度高于采用纯重离子靶所得到的。这一重要特性的发现意味着重离子难于加速的问题得以有效改善:即可在轻离子靶中掺入少量较重的离子。依此进一步设计出的“三明治”微结构靶被5×1019W/cm2的激光加速后得到中心能量为58MeV,能散度好于5%的碳离子束。此方案在有效增强重离子束加速的同时还大大改善了其单能性,有望在重离子加速实验中得到应用。　　 2圆偏振激光光压驱动的整体加速(Light-pressureacceleration,LPA)的关键问题是靶厚的选择。一般估计认为LPA中存在临界靶厚,当靶厚小于临界值时,电子全部被光压推出而弥散,不能形成稳定加速场。深入分析后发现激光脉冲上升沿对临界靶厚值有重要影响。脉冲上升沿较缓时,即使靶远薄于一般估计的临界值LPA仍然有效。LPA是目前最有希望将离子加速至GeV量级的机制,此研究澄清了其中临界靶厚的关键问题,放宽了对靶厚的限制,指出采用更薄的薄膜靶,离子束的中心能量更将得到接近一个量级的提升。　　 3提出了一种新的等离子体途径来产生近单周期的相对论激光脉冲。该方案利用薄膜靶对入射圆偏振激光透过率的非线性调制来压缩其脉宽,得到了近单个周期、强度大于1020W/cm2的透射脉冲。这种基于等离子体途径的脉宽压缩方法可产生强度极高的超短脉冲,有望推进超强单阿秒脉冲产生、空泡加速电子等方面的研究,同时也预示着在强相对论光学领域,等离子体可成为产生极端光场的强有力的介质。　　 4利用多普勒效应,获得了相对论的超强啁啾脉冲。研究发现,将一强一弱双束圆偏振激光对射在薄膜靶上时,较弱的脉冲被反射后高度啁啾化,谱宽极大扩展,中心频率强烈蓝移,经色散补偿后被压缩到波长很短的单周期相对论脉冲,模拟显示进一步聚焦后的光强可增大为泵浦光的7万倍!这种将等离子体作为介质的方法产生的啁啾脉冲强度和谱宽极大,为获得施温格极限强度光场、探索真空非线性物理的特性提供了可能。　　 5通过研究圆偏振激光从等离子体靶的反射,提出获得大于1021W/cm2的单阿秒脉冲的方案。该方案利用相对论圆偏振激光驱动等离子体边界形成单次剧烈的振荡,入射激光被振荡界面反射并急剧压缩,从而时域上表现为单个的超强阿秒脉冲。阿秒脉冲作为探索电子运动的重要手段备受关注,而获得单个的强阿秒脉冲更是强场光学的核心目标之一。此项研究也改变了相对论振荡镜模型中只有线偏振激光才可产生高次谐波和阿秒脉冲的传统认识。