随着超短超强激光技术的发展,基于激光与等离子体相互作用的新型粒子加速器和新型辐射源因其广泛而重要的应用前景成为激光等离子体物理领域的研究重点。本论文的主要工作为超强激光脉冲同等离子体相互作用产生高性能离子束的理论与数值模拟研究,主要包括两部份：激光与等离子体相互作用的粒子模拟程序的编写；基于超强激光与薄靶相互作用的高性能离子束产生机制的研究。为了可以根据研究问题的特定需要去修改模型和增加诊断以及将来可以添加一些新的物理效应以开展新的研究,我们在借鉴LAPINE程序的基础上也发展了自己的2维并行的粒子模拟的程序源代码。论文的第一部份则详细介绍了本程序的结构与算法,特别是里面所采用的一些先进算法。目前,这个程序已很好的被我们用在了激光等离子体相互作用相关问题的数值模拟当中。论文的第二部份包括两项内容：(1)我们通过2维的粒子模拟发现在多维下,辐射压力加速和鞘层加速机制分别在不同的薄靶加速阶段中占主导地位,即多维效应下激光与薄靶相互作用的多阶段加速机制。为了充分发挥这种机制在不同阶段的特点,我们提出了使用一个包含重离子和质子的双层薄靶来获得高能的且单能的质子束。在初始阶段,质子和重离子构成一个整体在辐射压力的作用下稳定向前加速。当进入到鞘层加速主导阶段,基于较高荷质比的特性,质子束处于运动薄靶的背部,从而可以在移动的鞘层静电场中获得能量且保持紧凑性和单能性。在2维的粒子模拟中,我们证实高能的准单能质子束的产生。虽然该质子束数量较少,但其能量较高,并且可以在传播很远距离的同时保持良好的性能,这有利于其实际应用。(2)通过2维的粒子模拟,我们证实在薄靶的后面增加一个低密度的背景等离子体对于薄靶加速离子束的性能起到很好的改善作用。事实上,我们发现这个低密度的背景等离子体具有局域的离子密度调制和冷却电子的作用,因此在一个程度上限制了薄靶中心区域的结构破坏和后期的热膨胀。模拟的结果表明在这种机制下,整个薄靶的中心区域都可以被加速成一个紧凑的准单能的高能离子束。这种机制产生的离子束的粒子数多,且具有很好的准单能性和紧凑性,另外激光的能量转换效率也高,可以更好的实际应用。同时,我们也推导了一个改进的光帆模型,来估计实验所需的相互作用物理参数。(3)我们提出一个复合靶的结构来实现在激光强度1020-21W/cm2下的高能高性能离子束的产生。2维的粒子模拟表明在这种复合靶结构下,来自于前端曲面靶的加速质子的紧凑性和单能性在后端非均匀等离子体层的调制作用下会有显著的提高。我们发现和详细讨论了复合靶结构改善加速质子的性能的三个主要机制,包括穿透防止,烧洞加速和德拜屏蔽。同时,我们也给出了一些相应的理论来优化复合靶的参数。