本论文的目的是研究如何利用强激光在实验室条件下产生无碰撞冲击波,同时研究由无碰撞冲击波引起的物理现象。采用的研究方法主要是强激光实验和数值模拟。本文取得的有创新意义的结果归纳如下:1.实验室条件下产生的无碰撞静电冲击波在实验室天体物理和高能离子产生方面有重要应用。在实验室中,可以通过高密度等离子体向低密度等离子体膨胀,在低密度等离子体中驱动出无碰撞静电冲击波。然而目前在该方法中,等离子体的初始参数对无碰撞静电冲击波的影响还不清楚。本论文通过求解双流体方程组和粒子模拟研究了初始等离子体参数与无碰撞静电冲击波速度的关系,以及形成无碰撞静电冲击波的临界等离子体条件。研究发现无碰撞静电冲击波速度与初始等离子体电子热速度和初始等离子体电子密度比的对数成正比,同时无碰撞静电冲击波只存在于一定初始密度比范围内,比如对于氢等离子体为4至25之间。2.激光氦离子源产生的MeV能量的氦离子因有望用于聚变反应堆材料辐照损伤的模拟研究而得到关注。目前激光驱动氦离子源的主要方案是采用相对论激光与氦气射流作用加速高能氦离子,目前这种方案在实验上难以产生具有前向性和准单能性、数MeV能量、高产额的氦离子束,而这些氦离子束特性是材料辐照损伤研究中十分关注的。不同于上述激光氦离子产生方法,我们提出了一种利用超强激光与固体-气体复合靶作用产生氦离子的新方法。利用这种方法,在实验上,采用功率密度5×1018W/cm2的皮秒脉宽的激光脉冲与铜-氦气复合靶作用,产生了前向发射的2.7MeV的准单能氦离子束,能量超过0.5MeV的氦离子产额约为1013/sr。二维粒子模拟显示,氦离子主要由类无碰撞冲击波机制加速,同时粒子模拟还显示氦离子截止能量与超热电子温度成正比。3.无碰撞冲击波的不稳定性对于无碰撞冲击波演化和高能宇宙射线产生等方面具有关键作用,因而得到研究人员关注。本论文我们利用质子照相技术观测到由无碰撞冲击波反射离子在冲击波上游产生的离子-离子声不稳定性。实验中,首先利用激光较低强度ASE烧蚀金属靶,产生低速低温大尺度的稀薄等离子体;然后利用激光较高强度ASE与金属靶作用,产生较高温度较高密度高速膨胀的等离子体,该高速等离子体在稀薄等离子体中膨胀时,会驱动起无碰撞冲击波。无碰撞冲击波反射的离子进入冲击波上游后,在上游会激发起离子-离子声不稳定性。该不稳定性具有较强的电场,可以通过质子照相技术进行观测。我们的数值模拟结果和实验结果一致,并显示离子-离子声不稳定性可能使无碰撞冲击波进入湍流状态。4.相对论无碰撞冲击波带电粒子加速被认为是高能宇宙射线的可能起源。但是由于宇宙中的相对论无碰撞冲击波事例发生率低以及探测距离远,使研究人员难以对其进行细致研究。近年来,有一些研究工作致力于在实验室条件下产生相对论无碰撞冲击波,以可控的方式对粒子加速进行研究。这些研究工作计划在实验室中利用两束正负电子对等离子体相互对撞驱动出相对论无碰撞冲击波。然而,目前在实验室中,满足相对论无碰撞冲击波产生条件的正负电子对等离子体还没有产生。十拍瓦激光器由于具有高能量和高功率密度,有可能产生满足条件的正负电子对等离子体。但是目前在这方面还没有相关的研究工作。本论文我们利用数值模拟研究了超强激光与高Z靶作用产生正电子束的相关特性。模拟结果显示,利用十拍瓦激光与厚Pb靶作用可以产生产额为1013/kJ,发散半角0.7rad的前向发射的正电子束。利用相对论无碰撞冲击波的形成条件,可以估计出上述正电子束的产额可以满足条件,但是发散半角需要控制到O.1rad以下。目前可以利用外加强磁场或者特殊结构靶来减小正电子束的发散半角。因此,利用十拍瓦激光有可能在实验室条件下驱动出相对论无碰撞冲击波。