短脉冲强激光在基础科学、工业、医疗等众多领域有着广泛的应用。超短超强激光的发明开拓了相对论非线性光学、强场物理、激光等离子体物理等前沿领域。强激光与等离子体相互作用蕴含着丰富的物理过程,具有广泛的应用前景,并为诸多的科学研究提供了全新的方法和思路。但是,目前高功率超短超强激光脉冲的工作波长主要局限在近红外波段,而超快科学和阿秒物理等领域还亟需中红外波段的长波长短脉冲强激光。此外,随着数拍瓦（petawatt,PW）级激光装置的建成以及百PW级激光装置的筹建,将使得光与物质相互作用进入到一个全新的范畴,其中带电粒子的经典运动行为将被修正,辐射阻尼效应将主导电子的动力学特性,并且量子电动力学（quantum electrodynamics,QED）效应也将变得非常重要。这会触发许多新的物理效应,例如正负电子对产生、强伽马射线辐射、QED级联、真空极化等,将为实验室天体物理、高能物理、QED物理等诸多前沿领域研究带来新的机遇。但是,这些效应所涉及的许多物理过程和作用机制尚未被研究清楚,因此需要进一步地研究和探索,从而为未来的实验提供理论基础与指导。本论文将针对如下三个方面的问题展开详细的研究和讨论,旨在探究相关的物理过程,并给出产生极高亮度强辐射源、阿秒γ射线脉冲、可调的稠密GeV正负电子对束流和相对论单周期中红外脉冲的解决方案。本研究论文具体涉及以下三个方面的工作。第一部分（第二章和第三章）,研究了相对论激光脉冲与等离子体相互作用产生超亮γ辐射的物理过程。其中,第二章提出了一种基于激光等离子体加速器产生极亮γ辐射的新机制,产生的γ射线脉冲峰值亮度可达到自由电子激光级别。虽然先前人们已提出了很多基于激光等离子体加速器来产生高亮度X/γ射线辐射的方案,但是所获得的峰值亮度和能量范围都限制在第三代同步辐射光源级别。这里,我们提出一种基于量子辐射效应的新机制来突破这些限制。研究发现利用一束聚焦峰值强度~1021W/cm~2的数拍瓦高功率激光脉冲,可以在两级等离子体加速方案中产生准直的极高亮度γ射线源。在第一级等离子体加速器中,高强度激光先与相对低密度的等离子体作用,通过尾波场加速产生一束具有数GeV能量和几十纳库电量的高能稠密电子束。随后,强激光脉冲驱动稠密GeV电子束共同进入一个更高密度的第二级等离子体中,从而诱导产生更强的准静态电磁场,导致QED辐射效应被触发并产生准直的超亮γ射线脉冲。三维粒子模拟研究表明产生的γ射线辐射具有高达GeV量级的高能量光子,且在Me V能段处具有前所未有的高峰值亮度＞1026photons/s/mm~2/mrad~2/0.1%BW。此外,超过10%的激光脉冲能量可以被有效地转化为光子能量在1Me V以上的γ射线辐射。第三章研究了一种可产生超亮阿秒γ射线脉冲的物理方案。首先,利用一束圆偏振的拉盖尔高斯激光与锥靶作用产生数百Me V能量的稠密阿秒电子束（≤170as）。在此过程中激光强度将被显著地增强,使得聚焦光强可提高一个数量级左右。随后,聚焦的强激光脉冲被锥靶出口外的等离子体镜反射,从而与加速的高能电子束对撞产生超亮阿秒（≤260as）量级的γ射线脉冲,其在1Me V能段处的峰值亮度约为1023photons/s/mm~2/mrad~2/0.1%BW,并具有可调的角动量和高达几十Me V的光子能量。该机制有望将阿秒光脉冲推进到γ辐射范畴,并将为阿秒核物理和超快科学研究带来新的手段。第二部分（第四章）,研究了如何基于当前实验室可实现的激光强度来有效地产生稠密GeV正负电子对等离子体及操控其束结构或宽度。近年来,虽然人们提出了很多基于高功率激光驱动产生GeV正负电子对束流的方案（例如激光与固体靶相互作用）,但是需要的聚焦光强度一般都超过1023W/cm~2,比目前实验报道的最高光强高一个数量级以上。此外,关于操控稠密GeV正负电子对束流的研究则更少涉及。本章研究发现利用强度约为1022W/cm~2的激光脉冲与临界密度等离子体靶作用可产生稠密GeV正负电子对束流,通过改变激光偏振态可实现对其束结构的操控。产生的高准直、准中性的正负电子对束流具有可调的角动量或阿秒量级的束宽度。此外,通过改变等离子体靶横向密度分布可显著地增强正负电子对的产额并提高其束流品质。第三部分（第五章和第六章）,研究了相对论短脉冲激光在低密度等离子体中传输和调制的物理特性,发现了基于激光等离子体光调制方法产生相对论单周期中红外脉冲的物理机制。当相对论短脉冲激光在低密度等离子体中传输时,将激发一个非线性的等离子体尾波,后者导致光脉冲发生强烈的频率变化和脉冲整形。其中,第五章提出了一种高效地产生高重频相对论近单周期中红外脉冲的方法。该方法利用了两束同轴传输的激光脉冲,第一束激光（驱动光）先与低密度等离子体作用产生一个非线性的等离子体尾波（作为等离子体光调制器）,随后将一定时间延时的第二束激光（信号光）入射到尾波中第二个空泡的前端（密度上升）区域。此时,信号光将发生强烈的频率红移调制,最终转化成相对论近单周期的中红外脉冲。获得的中红外脉冲具有数毫焦的脉冲能量和约5微米长的中心波长,且该频率转换具有超高的能量转化效率可达30%左右。值得一提的是该方法所采用的驱动光和信号光均只有几十毫焦的脉冲能量,故可在当前太瓦级千赫兹激光系统上实现。第六章研究了高功率拉盖尔高斯激光脉冲在等离子体中传输和自调制的物理特性,通过光频下移调制方法（即等离子体光子减速器）可产生太瓦级百毫焦近单周期的中红外涡旋光脉冲,对应的光谱波长范围可达18微米和相对论高的光强度。研究表明产生的中红外涡旋脉冲的拓扑结构主要由初始驱动光束决定,不受限于等离子体靶,所以该方法适用于调制产生各种涡旋结构的中红外脉冲。本部分研究了两种不同的方法来产生相对论单周期中红外脉冲,一旦实现,将会开启相对论非线性中红外光学,并为阿秒物理和超快科学等领域研究带来新的机遇。