无碰撞冲击波是等离子体物理研究中的重要问题之一,高功率激光装置的发展为无碰撞冲击波的研究带来了新的机遇。本博士论文以激光惯性约束聚变为研究背景,对无碰撞冲击波的几个重要物理问题进行了数值模拟和理论研究,获得了若干具有重要科学意义和应用价值的结果。在第一章中,我们从无碰撞冲击波的基本概念和性质入手,介绍了无碰撞冲击波的基本类型。然后讨论了无碰撞冲击波在天体和空间物理、超强激光驱动离子加速以及激光驱动惯性约束等方面的重要应用和影响。最后,讨论了无碰撞冲击波的几种研究方式,并着重介绍了激光驱动等离子体产生无碰撞冲击波的最新进展。间接驱动激光聚变中,腔壁等离子体与靶丸等离子体会发生碰撞和对穿。在第二章中,我们利用粒子模拟方法研究了腔壁与靶丸等离子体碰撞和对穿过程的动理学演化,发现该过程中可以驱动向靶丸冕区等离子体传输的高Mach无碰撞静电冲击波;该静电冲击波可以将靶丸冕区内的氘(碳)离子加速至～25 keV(～150 keV)的能量,高能氘离子束在碳/氘靶丸等离子体输运时发生核反应,产生107量级的束靶中子。研究结果很好地解释了神光-Ⅲ原型装置间接驱动出中子实验中观测到的反常中子产额。我们设计并实施了神光-Ⅱ升级装置平面靶等离子体碰撞和对穿实验,通过质子成像方法获得了静电冲击波的空间结构及时间演化信息,同时获得了中子产额结果,平面靶实验直接证实了:等离子体碰撞和对穿产生无碰撞冲击波、无碰撞冲击波加速离子这一超热离子产生过程。对于间接驱动激光聚变,通过无碰撞冲击波加速产生的超热离子可能是靶丸预热的新来源。在无碰撞冲击波的演化过程中,等离子体不稳定性导致的波的激发以及波与粒子之间的相互作用是导致能量耗散的重要机制。在第三章中,我们利用粒子模拟的方法研究了对称的对流等离子体中无碰撞静电冲击波的演化过程以及等离子体不稳定性对该过程的影响。研究发现当等离子体流速较低时(约两倍离子声速),由等离子体重叠层边界处静电波的陡化可以形成两个对称、反向传输的静电冲击波。随着冲击波的传输,位于冲击波下游区域的穿透离子和位于上游区域的被冲击波加速的离子可以分别激发纵向和斜向离子-离子声不稳定性,纵向不稳定性直接导致离子的减速和热化,而斜向不稳定性则通过驱动弱静电湍流区域的产生导致离子的减速和热化,从而为静电冲击波提供了有效的能量耗散机制。模拟还发现:当等离子体流速增加至约三倍离子声速时,在重叠层内也会激发斜向离子-离子声不稳定性,所产生的斜向静电波破坏了重叠层边界处的静电波,从而破坏了静电冲击波的形成。由此可知,受到离子-离子声不稳定性的影响,静电冲击波的最大Mach数应低于一维理论的预期。在超强激光驱动无碰撞冲击波加速重离子方案中,冲击波加速离子的束流品质(流强和能量等)取决于无碰撞冲击波的强度,而无碰撞冲击波的强度又取决于激光驱动“活塞”等离子体的速度。在第四章中,我们提出利用横向外加磁场增强冲击波强度的方案,即利用外加磁场将激光产生的超热电子束缚在激光等离子体相互作用区域,由超热电子堆积导致的压力梯度与激光光压一起驱动产生高速的“活塞”等离子体。二维粒子模拟表明,施加外加横向磁场可以有效地提高无碰撞冲击波的强度和高能离子束的品质。对于强度为5 × 1019W/cm2的激光与近相对论临界密度等离子体相互作用的情形,相比于非磁化等离子体情形(激光驱动静电冲击波),当外加强度为50MG的横向磁场时(激光驱动磁化冲击波)冲击波加速离子的能量提高约3倍(由～50MeV提高至～150MeV),而激光到高能离子的能量转化效率提高约一个量级(由～0.6%提高至～10%)。